納米粒子氧化機理新發現 為發展耐腐蝕材料“另辟蹊徑”

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納米粒子氧化機理新發現 為發展耐腐蝕材料“另辟蹊徑”

近日，中國科學院大連化學物理研究所納米與界面催化研究組(502組)首次提出“動態尺寸效應”決定納米粒子穩定機制，相關研究成果發表在Nature Communications上(DOI:10.1038/ncomms14459)。

傳統認識中，納米材料隨尺寸減小、缺陷密度增高帶來高反應活性，但也會隨之犧牲長期的穩定性。關于納米材料在氣氛下或反應中的穩定性，尤其是對催化反應具有重要意義的5 nm以下活性納米結構，一直以來都缺乏在原子尺度上的微觀機理研究。

該研究團隊通過在Pt(111)表面構建不同尺寸、結構高度規整的FeO納米結構并研究其深度氧化的動力學，發現直徑3 nm以下的FeO納米粒子表現出更好的抗氧化能力。利用高分辨掃描隧道顯微鏡(STM)結合DFT理論計算，該團隊首次發現了尺寸相關的納米結構動態變化及其在納米粒子氧化過程中的決定性作用。研究還發現，尺寸在3.2 nm以下的FeO納米粒子在邊界的配位不飽和Fe2+解離O2的同時會發生整體的再構，使解離的氧原子穩定在邊界而難以鉆入FeO和Pt之間的界面，從而減緩了FeO的深度氧化過程。而對于尺寸在3.2 nm以上的粒子，由于無法完成整體再構，形成表面位錯且難以穩定邊界氧原子，反而更容易被進一步氧化。也就是說，小納米粒子在反應中更容易動態變化，達到相對穩定的結構構型，這種“動態尺寸效應”使小納米粒子表現出了反常穩定性。此外，該研究團隊還研究了負載在Pt(111)或Au(111)上的CoO納米結構，也發現了類似的3 nm以下粒子的抗氧化行為，說明這種動態尺寸效應對于負載型過渡金屬氧化物納米結構具有一定的普適性。該項研究不僅為納米催化劑在氣氛下的動態重構機制帶來了原子級認識，也為發展抗腐蝕抗氧化納米防護涂層提供了一種新的界面調控思路。

上述研究得到國家自然科學基金委、科技部、中科院、納米科學卓越創新中心和教育部能源材料化學協同創新中心的資助。

(葉春波 供稿)