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单斌教授团队提出选择性原子层沉积的系统理论方法——纳米材料的精细“外科手术”

发布时间:2019-01-10 编辑:李婷 来源: 浏览次数:

(通讯员文艳伟)“自下而上”(bottom-up)的材料制备模式被认为是制备高精度、复杂结构材料的有效方法。目前宏观尺度的增材制造技术方法(3D打印),已经在材料加工与制造领域显示出其巨大的优势。当材料的尺寸减小到纳米尺度时,由于其独特的尺寸效应和表面效应等产生了优异的力学、催化、发光等性质,广泛应用于催化、能源、显示等高科技领域。纳米材料的优异性质与其表面原子结构密不可分,如何对其表面进行精确定向控制是调控这些性质的基础,如何针对纳米结构表面进行精细、定向操控的新理论和新方法的研发,是纳米材料设计的难点和关键,这方面的突破,将对表面科学、纳米制造等交叉学科的发展起到重大的推动作用。

以贵金属催化为例,铂纳米颗粒以其大比表面积和高活性广泛应用于废气催化、光催化、燃料电池等领域,然而在高温、高压等苛刻的工作环境下,纳米颗粒易烧结或长大而导致失活。原子层沉积方法以其包覆均匀性和厚度精确可控等优势,适用于铂的包覆以提高其稳定性,然而传统的原子层沉积方法均匀包覆会导致其表面活性位点的消失,使得催化性能大幅度下降。如何对纳米颗粒的表面进行精细操控,只对特定位点进行定向的“增材改性”,兼顾催化剂的稳定性与活性,无疑对原子级精度加工的传统合成理论和方法提出了挑战。

材料科学与工程学院单斌教授团队组发展了密度泛函理论与微动力学相耦合的跨尺度理论方法,首次从理论上系统揭示了二茂基过渡金属前驱体在铂纳米颗粒各晶面的选择性生长机理,从而为这种位点选择性的原子层沉积技术提供了设计指导,将原子层沉积的精度从微米推进到纳米级别。为克服传统原子层沉积方法均匀包覆造成活性位点无差别丧失的问题,团队提出了利用纳米颗粒表面的各向异性产生的反应速率差异,实现氧化物在不同晶面的选择性成长。理论研究发现前驱体在铂纳米颗粒的棱边生长速率最快,(100)晶面次之,(111)面最惰性,该预测结果成功得到了原子层沉积实验与傅立叶红外谱的证实。该工作还发现随着反应温度的增加,前驱体在纳米颗粒表面的选择性会受到抑制,揭示了选择性沉积过程的温度效应。该理论工作为纳米结构定向包覆方法提供了理论基础,在能源、催化以及显示等领域有着巨大的应用潜力。

此项成果于2019年1月8日以《Edge-Selective Growth of MCp2 (M=Fe,Co,Ni) Precursors on Pt Nanoparticles in Atomic Layer Deposition: a Combined Theoretical and Experimental Study》为题在材料科学的顶级期刊Chemistry of Materials在线发表,并被遴选为当期内封面文章(图1)。文艳伟副教授为第一作者,单斌教授为通讯作者,机械学院的陈蓉教授为共同通讯,华中科技大学为该文的唯一作者单位。同时,该成果充分显示了理论模拟与实验制备在材料微纳尺度成型方向的深度融合,此前团队关于计算方法的发展及选择性原子层沉积的成果发表在J. Catal. 2018, 359, 122; Chem. Mater. 2018, 30, 8486; Chem. Sci. 2018, 9, 2469; Angew. Chem. 2017, 56, 1648等国际权威期刊上。并且在机动车尾气催化、量子点稳定化、固体火箭推进剂、锂电池包覆等领域取得了成果应用。

团队后续将系统地运用跨尺度方法研究前驱体与基底的耦合效应,建立纳米结构选择性包覆的理论模型,为纳米材料的精细结构调控提供理论指导。

上述研究工作是在国家自然科学基金(51702106, 51835005, 51871103)以及中央高校基本科研专项资金(2018KFYYXJJ031)的资助和支持下完成的。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b03168