北航郭林JACS: 有序取向成核生長新機制

鋼鐵俠 2個月前 (11-12) 1200瀏覽

成核和結晶是物質科學中普遍存在的重要概念，發生在許多自然和工業過程中。根據傳統的成核理論，溶液中的成核源于熱波動引起的局部濃度的瞬時波動，致使成核與生長表現出隨機取向。因此，在基底上生長的納米片陣列總是表現出無序排列，這嚴重阻礙了催化過程中的液相傳質。特別是，當涉及到工業規模的電催化產氣反應時（如電解水），安培級的高電流密度對電極的傳質能力提出更高的要求。

北京航空航天大學化學學院郭林教授聯手物理學院劉利民教授和航空科學與工程學院董雷霆教授，提出了基于應力誘導的定向形核生長機制，并在纖維基底上成功實現了規則取向生長的平行納米片陣列。這一發現顛覆了傳統依賴熱波動無序成核，僅能獲得雜亂陣列的成核理論，實現了取向性成核生長新模式。該生長方式可以實現納米片陣列間距從納米級至微米級高精度可控調節，打破了傳統物理加工方法僅能實現毫米級和微米級加工尺度的限制。相比于傳統雜亂陣列結構，平行陣列電極表面優化了液相傳質動力學和氣泡脫附動力學，呈現更快的氣泡脫附速度與更小的氣泡逸出直徑。在實際電解水產氧反應中，高活性的非晶納米片催化劑提供快速的氧氣生成，平行陣列結構優化了氧氣泡在電極表面迅速脫附，使得該新型電極展示出優異的工業級快速產氧活性及循環穩定性。這一工作為新型電催化電極的微納尺度定向生長提供了思路，也為納米材料的工業級電催化應用提供了借鑒。研究成果以Parallel Nanosheet Arrays for Industrial Oxygen Production為題發表于Journal of the American Society。