鎳納米材料晶相結構調控研究獲新進展
調控金屬納米材料的晶相結構，能夠改變納米材料內金屬原子的排布方式，是調控其物理化學性質的有效策略之一。鎳納米晶是一種常見的過渡金屬納米材料，廣泛應用于多種催化反應。近日，過程工程所燃料清潔轉化研究部能源催化與多孔材料課題組博士研究生莊嘉豪，在古芳娜副研究員指導下，采用溶劑熱合成的方法，可控制備了具有面心立方（fcc）晶相的正二十面體與六方密排（hcp）晶相的六棱柱鎳納米晶。
近年來，金屬納米粒子的尺寸和形貌效應已經得到了較為系統深入的研究，但是晶相效應的研究則較少。這主要由于介穩晶相的金屬納米粒子不穩定，不易捕捉，它在合成過程中或反應條件下極易轉化為熱力學穩定的晶相結構。在常溫常壓下，鎳納米晶是以能量最低的面心立方晶系存在，因此非立方晶系的鎳納米晶的可控合成及其晶相結構與催化性能的構效關系研究仍然是一項重大挑戰。
研究人員深入研究了hcp晶相鎳納米晶生長過程中獨特的晶相轉變（fcc→hcp）過程。實驗結果與理論計算表明，hcp晶相的形成及其形貌演化過程主要源于表面活性劑聚乙烯亞胺（PEI）對hcp晶相不同晶面的選擇性吸附。該工作為不同晶相結構鎳納米材料的可控制備提供了新的思路，相關成果發表在Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/d0ta07985e）。
圖1 不同晶相鎳納米晶的合成示意圖
此外，研究人員還合成了同時具有兩種及以上晶相結構的納米材料，即異相納米材料，能夠構建豐富的異相孿晶界面，發揮不同晶相之間的協同作用，有利于提升材料的催化性能。基于此，進一步合成了同時具有fcc與hcp晶相的異相鎳納米晶。實驗研究表明，石墨烯載體對fcc晶相的錨定作用以及表面活性劑對hcp晶相的選擇性吸附行為共同促進了fcc/hcp異相結構的形成與穩定存在。制得的fcc/hcp?鎳納米材料在硝基苯酚加氫反應中，表現出極高的反應速率常數（k = 2.958 min-1）與活性常數（K = 102?min-1?mg-1），其活性遠高于目前已知的大部分貴金屬與非貴金屬催化劑，這主要得益于fcc/hcp兩相界面處對4-NP分子更強的吸附作用。該項工作為發展高催化性能鎳納米晶材料提供了新的研究思路，相關成果發表在Nano Research（DOI: 10.1007/s12274-021-3630-6）。
圖2 fcc/hcp異相結構Ni納米晶催化硝基苯酚加氫反應
上述工作得到國家自然科學基金（21776286）的資助。
(燃料清潔轉化研究部能源催化與多孔材料課題組、科研規劃管理處)
