太原理工大學劉旭光/王美玲J. Hazard. Mater.：超分子限域熱解策略構筑橫跨四個尺度的鉬基納米結構用于傳感器構建

【研究內容】

具有高原子利用率、豐富的活性位點和特殊電子結構的金屬納米結構有利于對高毒性環境污染物如酚類的電傳感檢測。然而，傳統的納米結構，尤其是非貴金屬通常會發生嚴重聚集，或由納米顆粒和納米團簇的混合物組成，導致檢測靈敏度較低。本文精確控制了錨定在 N，P，O 共摻碳載體上橫跨四個尺度的 Mo 基納米結構（即 Mo₂C 納米顆粒、Mo₂C 納米點、Mo 納米團簇和 Mo 單原子），研究表明以對苯二酚（HQ）作為傳感目標，四個尺度的鉬基材料對HQ的傳感靈敏度依次為Mo單原子＞Mo₂C納米點＞Mo納米團簇＞Mo₂C納米顆粒。特別地，負載型 Mo 單原子對 HQ 表現出優異的電傳感性能，具有寬的線性范圍（0.02-200 mM）和超低的檢測限（0.005 mM），超過了大多數先前報道的貴金屬催化劑。此外，兒茶酚 (CC) 和間苯二酚 (RC) 同分異構體的共存不會干擾 Mo 單原子傳感器上 HQ 的檢測。這項工作開辟了一種基于多金屬氧酸鹽的普適性單分子限制熱解策略，可用于構筑跨越多個尺度（從單原子到過渡金屬碳化物納米顆粒）的超細過渡金屬基納米結構，以實現高效的電化學應用。

【研究成果】

太原理工大學材料科學與工程學院劉旭光教授/王美玲副教授近期在限域領域再添新成果，作者前期結合理論計算設計了“魚網狀”聚合物水凝膠并實現了磷鉬酸分子的單分子限域（Nanoscale, 2020,12, 11887-11898,）。近期，課題組進一步借助限域熱解策略制備了橫跨多個尺寸范圍的鉬基物種。在Journal of Hazardous Materials 上發表了題為“Supramolecular Confinement Pyrolysis to Carbon-supported Mo Nanostructures Spanning Four Scales for Hydroquinone Determination”的論文，實現了納米級別催化劑的尺寸控制，為原子級別催化劑的精準開發提供了新方法。

【本文要點】

通過單分子限域熱解策略，合成了尺寸可控的鉬基電催化劑，達到了原子級別的多尺度控制。

原位限域策略實現了納米級別的尺寸控制，有效的阻止了高溫合成過程中鉬基催化劑因表面張力引起的聚集現象，實現了從納米顆粒碳化鉬（圖2a, e, i）、碳化鉬納米點(圖2b, f, j)、鉬金屬團簇(圖2c, g, k)到鉬單原子催化劑(圖2d, h, l)的精準制備。

使用X射線吸收精細結構譜對Mo單原子物種的存在形式、氧化態與配位結構進行了進一步表征，同時對Mo單原子物種的Mo K-edge進行了小波變換(WT-EXAFS)，驗證了Mo單原子物種的成功合成。

?通過對不同尺寸的Mo物種進行電化學測試，對其電化學傳感性能進行了評估，同時進行了旋轉圓盤測試進一步確認了催化劑性能順序為 Mo SAs＞Mo₂C NDs＞Mo NCs＞Mo₂C NPs。

?本篇論文的第一作者為太原理工大學材料科學與工程學院2020級碩士研究生叢文華，論文通訊作者為太原理工大學材料科學與工程學院王美玲副教授/劉旭光教授，該研究得到了國家自然科學基金的資助。該工作以Research article的形式發表在Journal of Hazardous Materials (IF-10.588)。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129327

課題組近期在雜多酸限域領域已取得如下進展：單分子限域雜多酸誘導本征氧化還原活性增強儲能性能（見https://doi.org/10.1002/eem2.12396）。