清華&中科大Nature Commun.: 無定形貴金屬納米片的通用的合成方法

【引言】

貴金屬納米材料在催化和能源儲存與轉化有著重要的應用。相比于貴金屬晶體納米材料，無定形貴金屬納米材料因其不同的原子排列方式、配位環境和改變的鍵長等，在催化領域有著潛在的應用。然而，由于貴金屬強的金屬鍵以及各向同性的特點，常用方法制備的貴金屬納米材料通常具有結晶性。因此，無定形貴金屬納米材料的制備依然是一項重大挑戰。

【成果簡介】

近日，清華大學李亞棟院士和中國科技大學洪勛副教授（共同通訊作者）提出了通過對乙酰丙酮金屬鹽和堿金屬鹽的混合物直接退火來制備多種不同的厚度小于10 nm的無定形貴金屬納米片。調控貴金屬的原子排列能改善它們的催化性能。無定形Ir納米片在酸性條件下的析氧反應中表現出優異的性能，其質量活性分別是結晶性Ir納米片和商業化的IrO₂催化劑的2.5倍和17.6倍。原位X射線吸收精細結構光譜表明Ir的價態在析氧反應過程中增加到小于+ 4和在反應后恢復到其原來價態。上述成果以“A general synthesis approach for amorphous noble metal nanosheets”為題發表于國際期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1.無定形貴金屬納米片的通用的合成過程的示意圖

圖2.無定形Ir納米片的表征

a.無定形Ir納米片的TEM圖

b.無定形Ir納米片的HAADF-STEM圖和相應的EDS元素分布

c.無定形Ir納米片的球差校正HAADF-STEM圖。內圖為SAED圖

d.無定形Ir納米片和結晶性Ir納米片的徑向分布函數

e.無定形Ir納米片、Ir和IrO₂的k³加權的Ir L₃-edge EXAFS數據的傅里葉轉換

f.無定形Ir納米片的Ir L₃-edge EXAFS數據

g.從EXAFS光譜的曲線擬合分析獲得的結構參數

圖3.其它的無定形貴金屬納米片的表征

無定形的Rh納米片、Ru納米片、RhFe納米片和IrRu納米片的（a,?e,?i,?m）TEM圖、（b,?f,?j,?n）AFM圖、（c,?g,?k,?o）球差校正HAADF-STEM圖和（d,?h,?l,?p）HAADF-STEM圖和相應的EDS元素分布

圖4.無定形Ir納米片的電化學析氫反應性能和operando? X射線吸收光譜

a.無定形Ir納米片、結晶性Ir納米片、商業化的RuO₂催化劑和IrO₂催化劑的極化曲線

b.無定形Ir納米片、結晶性Ir納米片、商業化的RuO₂催化劑和IrO₂催化劑的Tafel斜率

c.無定形Ir納米片、結晶性Ir納米片和IrO₂催化劑的過電位（10?mA?cm^?2，左邊）和質量活性（1.53?V vs. RHE，右邊）

d.與酸性條件下不同的代表性催化劑的對比

e.5000個循環前后的無定形Ir納米片的極化曲線。內圖為無定形Ir納米片的計時電流法測試（過電位為255mV，測試時間為8h）的測試結果

f.耐用性測試后的無定形Ir納米片的原子級分辨率HAADF-STEM圖。內圖為SAED圖。

g,?h. Ir L₃-edge的原位XAFS光譜的變化

i.耐用性測試后的無定形Ir納米片的XANES光譜

【小結】

本文采用通用的、有效的方法，通過對乙酰丙酮金屬鹽和堿金屬鹽的混合物直接退火來制備無定形貴金屬納米片。除了單金屬納米片，多種不同的無定形雙、三金屬納米片被簡便地制備出來。無定形Ir納米片作為酸性條件下的析氧反應的電催化劑，與結晶性Ir納米片和大部分被文獻報道的貴金屬電催化劑相比，表現了出色的電催化性能。原位XAFS光譜表明Ir的價態在析氧反應中價態增加但小于+4價。而且，無定形的原子結構在耐用性測試后依然保持穩定。上述成果表明，無定形的貴金屬材料不僅能提升催化活性，而且具有結晶性催化劑不具備的突出的催化性能。

文獻鏈接：A general synthesis approach for amorphous noble metal nanosheets（Nat. Commun.,2019,DOI:10.1038/s41467-019-12859-2）

本文由kv1004供稿。