負載型雙金屬催化劑在原子層面上的精細可控合成取得重要進展
近日，中國科學技術大學化學物理系路軍嶺教授課題組在原子層面上精細設計與合成負載型雙金屬催化劑領域取得新進展。路軍嶺教授通過與美國阿貢國家實驗室的J.W. Elam博士合作，成功探索到了一種普適的利用原子層沉積（ALD）技術精細合成負載型雙金屬催化劑方法：通過選擇適當的反應溫度和ALD過程所需的氧化劑或還原劑，充分利用金屬ALD在金屬和氧化物表面的不同生長特性，選擇性地把第二種金屬僅僅沉積在第一種金屬納米顆粒表面而避免在載體上成立新核（如下圖），從而杜絕了單金屬納米顆粒形成的可能性；此外通過調控ALD的沉積順序和周期，成功實現了在原子層面上對雙金屬納米顆粒的大小、成份和結構的精細調控。該結果以「Toward atomically-precise synthesis of supportedbimetallic nanoparticles using atomic layerdeposition」為題在線發表在2月10日出版的Nature Communications雜誌上。
眾所周知，雙金屬納米粒子常常由於協同效應表現出不同於其單金屬自身的電學，磁學，光學和催化特性，引起了人們的廣泛興趣。其中，負載型雙金屬納米顆粒在催化、電催化中有著廣泛的的應用。傳統的製備方法如浸漬法等往往很難能實現對雙金屬顆粒尺寸、成份和結構的精細調控，且通常會導致單金屬和雙金屬顆粒混雜共存的情況。如何做到在原子層面上精細調控金屬納米顆粒的尺寸、成份和結構至今仍然是一個巨大的科學挑戰。
ALD擁有原子層面上精細控制的獨特技術優勢，為人們在原子層面上精細設計和製備新型催化材料提供了一個很好的機遇。近幾年，該技術已經成為國外多個著名研究機構嘗試用來進行新型催化劑設計和製備的研究熱點。儘管這樣，同單金屬催化劑的製備相比，利用ALD方法製備負載型雙金屬催化劑遇到了極大的挑戰。因為不同金屬ALD的反應溫度和所需表面活性位類別往往不同，這使得在多數情況下人們很難把兩種金屬ALD結合在一起製備雙金屬納米顆粒。
針對上述挑戰，路軍嶺教授首先通過利用原位微石英天平技術對比研究了金屬ALD在金屬表面和氧化物表面上隨沉積溫度和不同氧化/還原劑的生長特性變化，成功探索到了金屬ALD僅僅在金屬表面生長而不在氧化物上生長的最佳條件。在該條件下，我們可以確保在沉積第二種金屬時，僅僅在原有的金屬顆粒表面生長同時避免在載體上成立新核而導致單金屬顆粒的形成。此外，路軍嶺教授首次以CO為探針分子，把原位紅外光譜與雙金屬ALD生長相結合，第一次原位觀察到了雙金屬納米顆粒的成份和結構隨ALD沉積周期在原子層面上的精細變化。原子分辨球差矯正掃描透射電鏡證實了該結果。該方法成功解決了目前雙金屬催化劑領域中面臨的單金屬和雙金屬納米顆粒混雜共存的關鍵難題，並初步實現了在原子層面上對雙金屬納米顆粒的大小、成份和結構的精細調控。
路軍嶺教授長期從事ALD技術在催化劑設計領域的應用研究。自2007年始，在利用ALD技術實現在原子層面上對金屬催化劑的精確改性、精細設計和製備方面，並取得多項進展。相關工作已在Science、Nature Chem.、Nature Commun.、Acc. Chem. Res.和Angew. Chem. Int. Ed.等國際著名學術期刊上發表，另獲國際專利2項。
（化學與材料科學學院）