妙手搭建釕原子“涼亭”：具有中空結構的高效金屬催化劑

材料牛注：近日，密西根理工大學的研究人員利用兩步法，生長出具有納米框架結構的金屬釕晶體，內部中空，形似涼亭，具有高催化活性，為金屬催化劑的制備提供了新思路。

通過生長與刻蝕的兩步法制備的“涼亭”形中空金屬釕催化劑

現如今，全球的發展都離不開催化劑的推動，它們可以凈化汽車尾氣,能夠用于肥料生產,也是制備更優化的氫燃料的關鍵。近日，由密西根理工大學Xia Xiaohu教授領頭的化學家團隊，找到了制備金屬催化劑的“妙招”。

。研究人員使用新的方法，首次使用金屬釕制備催化劑，而這一重大突破并不僅僅局限于釕這一種金屬。Xia認為最重要是他們研究的過程：“我們正在對催化劑的表面、尺寸、形狀和晶體結構進行優化調整,目標是提高其催化活性,同時減少昂貴材料的使用。”

為了做出更好的催化劑,Xia從美國阿貢國家實驗室、德克薩斯大學和天普大學組建了一支研究團隊，其中還包括了Xia教授的研究生Ye Haihang（論文的第一作者）和本科生Joseph Vermeyle等，都參與了這項工作。

納米催化劑

從化學的角度來說,催化劑能夠增加反應速率,引發反應或促使反應持續快速進行。從原材料角度來說,催化劑的來源也不同,盡管其中最重要的往往是一些貴金屬。釕是一種相當稀有的貴金屬,已經成為金、鉑、鈀等優質的貴金屬催化劑的一員。

Xia說，這類金屬十分稀有,因而需要盡可能的減少生產過程中的使用量。通常研究者會去控制催化劑的形狀和尺寸，而其關鍵是增大催化劑的表面。新的方法所得催化劑形成了納米框架結構，它以納米粒子為基礎中心鏤空，形成類似于“涼亭”形狀的原子排布而具有很大的優勢。而另一個優勢是，我們的催化劑內部空間是有效可用的，并且金屬釕的結構更加精細。由于催化反應只發生在材料的表面,因而表面原子排列對于催化活性有很大的影響。

原子的排布（即材料的晶體結構）很難被控制。通常，釕納米晶體的結構是六方密堆積（hcp）。但Xia和他的團隊提出了一個簡潔的方法，使釕納米晶體結構變成面心立方（fcc）。

生長和蝕刻

制備的過程包括兩個步：生長和蝕刻。通常，釕的自然生長難以形成納米骨架結構的晶體。研究人員別出心裁，先在鈀的晶核生上使釕生長成納米骨架結構，之后再將鈀祛除。第一步，是從具有面心立方（fcc）結構的鈀晶種開始，研究人員以此作為原子模板。釕優先生長在具有八面體結構的鈀晶種的邊緣和棱角上。這樣，新形成的釕很容易地復制了鈀晶種的面心立方結構。第二步叫做蝕刻，除去鈀晶種，留下被掏空的具有納米骨架結構的釕。

為了確保材料有催化潛力，研究團隊對納米骨架結構的釕進行了測試：硼氫化鈉還原對硝基苯酚，以及氨硼烷的脫氫反應。盡管需要更多的數據來量化釕相比現有的金屬催化劑具有的優越性，但Xia仍然對他們的實驗結果很有把握。

下一步工作

Xia說，提高材料的穩定性是下一階段的研究重點。一種新的催化劑，需要研究其全面的性能特點和極限條件測試，我們想要知道它保持納米骨架結，又能保持面心立方結構并具高效的催化活性的極限生長厚度。

最重要的是，一旦材料已通過審核，研究人員就能夠將催化劑運用到幾項重大挑戰中，也就是Xia所說的，這種釕催化劑和其他具有獨特晶體結構的催化劑可以用來改善氫燃料的生產和碳的儲存。這對金屬催化劑來說是一項崇高的事業。

本文由材料人編輯部楊洪期提供素材，王艷翻譯，李卓校對審核。

該研究成果發表于Nano Letters上。

原文參考地址：Researchers Find Way to Make Ruthenium Nanoframes

學術論文原文參考地址：Ru Nanoframes with an fcc Structure and Enhanced Catalytic Properties