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清水流

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[资源] 科学家首次制备二十四面体铂纳米晶体

厦门大学化学化工学院孙世刚和美国佐治亚理工学院王中林等科学家采用一种新的电化学方法，首次制备出具有高表面能的二十四面体铂纳米晶粒催化剂，显著提高了铂纳米催化剂的活性和稳定性，在能源、催化、材料、化工等领域具有重大的意义和应用价值。5月4日出版的美国《科学》杂志以长篇报道的形式刊登了这项最新成果。
二十四面体是一种十分罕见的晶体形状，其表面通常由{210}、{310}、{320}等高指数晶面围成。迄今从未见到人工合成二十四面体金属纳米晶体的报道。在自然界中，也仅发现金刚石、萤石和铜矿等极少数矿物能以不完美的二十四面体形式存在。
据介绍，上述研究发展了一种新的电化学方法，能够控制纳米晶体的表面结构和生长，合成具有高表面能的金属纳米晶体，而传统的化学法只能合成低表面能的金属纳米晶体。
孙世刚是国家杰出青年科学基金和国家级教学名师奖获得者，长期从事电化学和电催化研究。王中林是佐治亚理工学院杰出讲座教授和厦门大学客座教授，是著名的电子显微学和纳米材料学专家。上述研究是在孙世刚小组前期工作基础上，两个研究小组一年多紧密合作的结果。
铂纳米材料是燃料电池、石油化工、汽车尾气净化等领域中广泛使用的催化剂，全世界用于催化剂用途铂的量每年近100吨，价值高达40多亿美元。由于铂的资源匮乏，价格高昂，如何进一步提高铂纳米材料的催化活性、稳定性和利用效率是氢能源和相关领域发展的重大关键问题。
孙世刚教授的研究小组多年来从事表面原子排列结构明确的铂单晶的电催化和电化学研究。孙世刚说：“我们在研究中发现，铂族金属单晶的高指数晶面不仅催化活性很高、而且稳定性好，这是因为高指数晶面具有开放的表面结构和高密度的台阶原子,而且处于短程有序环境。因此，制备表面为高指数晶面结构的铂纳米晶粒，是显著提高催化剂活性和稳定性的重要途径。但是，铂晶体在生长过程中沿高指数晶面方向的生长速度远快于沿低指数晶面方向，导致高指数晶面趋于消失，最终生成的铂晶体表面主要由原子排列密集的{111}、{100}等低能低指数晶面组成。”
孙世刚教授与其博士生田娜和周志有博士，利用高指数晶面在氧化条件下稳定性高的特点，通过方波电位产生的周期性氧化/还原的驱动，调控铂纳米晶体生长过程的表面结构，首次制备出高指数晶面结构的二十四面体铂纳米晶体。同时控制条件，可使铂纳米晶体的尺度在二十到几百纳米内变化。
王中林教授和丁勇博士通过高分辨电子显微镜研究证实，所制备的二十四面体铂纳米晶体由{730}, {520}, {210}, {310}等高指数晶面围成，并具有很高的热稳定性，可耐高达800摄氏度的高温。
这一中美联合团队的电催化研究证实，所制备的二十四面体铂纳米晶体具有很高的催化活性：以单位铂表面积来计算，它对甲酸、乙醇等有机小分子燃料电氧化的催化活性是目前商业铂纳米催化剂的2到4倍，显示其在燃料电池、电催化等领域中的重大应用价值。
孙世刚和王中林认为该研究的重大意义主要在于：所发展的表面结构控制生长的电化学方法可以拓展到其它铂族金属，如钯、铑等，也可以运用到制备其它高指数晶面组成的不同形状的金属纳米晶体。这将丰富纳米晶体表面结构控制生长的内涵，深化对金属晶体生长规律的认识；该研究不仅开辟了一条通过控制纳米粒子表面原子排列结构提高催化剂性能的崭新途径，也是将模型电催化剂的基础研究推进到实际催化剂设计和研制过程中的一个重大进展。
《科学》杂志的三位评审人对该工作的原创性和重要性给予高度的评价。认为这一科研成果不仅指明了一种控制纳米粒子生长使高指数晶面暴露在外的新思路和新方法，而且将导致异相催化中的新发现。
厦门大学研究小组得到国家自然科学基金委，教育部，科技部，厦门大学，固体表面物理化学国家重点实验室的长期支持和资助，还得到厦门大学“优秀博士学位论文”计划的支持。

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