Nat. Commun. : 利用柯肯達爾效應的空化過程制備空心納米晶體

【引言】

柯肯達爾效應是一種典型的冶金現象，近期發現了一種獨特的自組裝方法，用于制備中空納米晶體，產率高，對尺寸和形狀有良好的控制作用。在固體納米晶體與周圍物質反應過程中，柯肯達爾空隙形成，從核心材料到反應界面的原子或離子優選擴散導致不平衡的向外通量，同時納米晶體內產生空位和聚結。

【成果簡介】

近日，西安交通大學單智偉教授，前沿科學技術研究所金明尚教授和美國加利福尼亞大學河濱分校化學系殷亞東教授三人聯合在Nat. Commun. 上發布了一篇關于空心納米晶體制備的文章，題為“Inflating hollow nanocrystals through a repeated Kirkendall cavitation process”，文中介紹了利用反應物質納米級物體的化學轉化中的不同擴散速率來制備中空納米結構，展示了納米級柯肯達爾空化過程，可以通過插入和提取磷，將固體鈀納米晶體轉化為空心鈀納米晶體。生產單金屬中空納米晶體成功的關鍵是：通過氧化反應有效地提取磷，這促進了磷化合物納米晶體磷向外擴散，從而使空位向內擴散并使其聚結成更大的空隙。證明，柯肯達爾空化過程可以重復多次，逐漸膨脹為空心金屬納米晶體，增加直徑、減少厚度，所得到的鈀納米殼體催化活性增強，對甲酸氧具有較高的耐久性。
【圖文導讀】

圖1. 空心金屬納米晶合成策略的示意圖

柯肯達爾重復空化過程示意圖

圖2. 固體Pd納米立方體轉化為中空的Pd中空納米晶體

（a-c）分別是Pd納米立方體，Pd-P中間體和中空Pd納米球的TEM圖像

（d）在不同模擬時間的Pd納米晶體的快照

（e）模擬期間Pd和P原子的瞬時擴散系數

（f）在低倍率下的中空Pd納米球的TEM圖像

?圖3. 在氮氣和氧氣不同摩爾比時反應得到的中空納米晶的TEM和HRTEM圖像

（a） 90:10

（b） 85:15

（c） 75:25

（d） 70:30

（e） 60:40

（f） 40:60

（g） 20:80

（h） 0：100

圖4. 通過重復柯肯達爾空化過程三次合成具有薄壁的中空Pd納米晶體

（a）在重復的空化周期中P：Pd的摩爾比的演變

（b,e）通過一個空化循環獲得的H-Pd-1

（c,f）通過兩個空化循環獲得的H-Pd-2

（d,g）通過三個空化循環獲得的H-Pd-3

（b-g 為HAADF-STEM圖像，獲得的高分辨率HAADF-STEM圖像反復空化循環后的空心納米晶體）

圖5. 重復柯肯達爾空化過程獲得的中空納米晶體的尺寸變化

（a,d）通過一個空化循環獲得的H-Pd-1

（b,e）通過兩個空化循環獲得的H-Pd-2

（c,f）通過三個空化循環獲得的H-Pd-3

圖6. 中空Pd納米粒子和商業Pd/C對甲酸氧化的電化學催化性能

（a）催化劑的Mass

（b）特定活動

（c）催化劑的特定電化學活性表面積

（d）在耐久性測試之前和之后的催化劑的質量活性

【小結】

納米級柯肯達爾空化過程，用于將固體Pd納米晶體轉化為中空的Pd納米晶體。通過插入和提取P的重復過程，納米級柯肯達爾效應驅使Pd中空納米晶體“膨脹”，逐步增加其外徑并減小殼厚度，所得到的薄殼體表現出提高的對于FAO反應的催化活性和耐久性，表現出比商業Pd/C催化劑高四倍和三倍的質量活性和比活性，從而滿足高效電催化應用的要求。柯肯達爾空化過程已經通過原子模擬研究在理論上得到了證實，我們認為目前的研究可以大大拓寬柯肯德爾效應在納米結構合理設計中的應用，生產具有改善活性和耐久性的實用重要催化劑，從而影響精細化工生產，環境保護和能源轉換等廣泛領域。

文獻鏈接: Inflating hollow nanocrystals through a repeated Kirkendall cavitation process (Nat. Commun., 2017，DOI: 10.1038/s41467-017-01258-0)

本文由材料人編輯部新人組蔡冠宇編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！