《自然》子刊:直接观察了碳载体上金属纳米粒子的形成和稳定性。
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/articles/s 41467-020-20084-5
基底负载纳米粒子因其在生物医学、能量储存和催化剂方面的广泛应用而引起了工业界的极大兴趣。碳是最常用的导电基材，自然丰富。这种材料具有从零到三维的多种独特形式，可用于锚定纳米粒子，并可按比例放大以形成所需的结构。迄今为止，已经发展了许多方法来合成载碳纳米颗粒。然而，如何获得尺寸和分散均匀的纳米颗粒仍然是一个挑战。也许这可以通过引入分散剂或表面活性剂来实现。然而，溶剂合成残留物的副作用可能是有问题的。近年来，高温干法合成技术已成功用于制备纳米粒子，包括纯金属、多元合金甚至单原子。该方法在合成过程中不需要添加剂，不仅降低了合成的复杂性，而且实现了“清洁”的合成策略。
虽然高温下的焦耳加热具有普适性和简单性，但在高温加工过程中形成粒径小、分散性好、无团聚的纳米粒子的机理尚不清楚。一些原子模拟试图研究金属纳米粒子与石墨基底或缺陷基底之间的相互作用。然而，在模拟中没有考虑高温的影响。在这种情况下，这甚至更为重要，因为在焦耳加热过程中，在如此高的温度下，纳米颗粒会聚集，从而降低其表面能。然而，碳基底上的纳米颗粒在高温下的稳定性仍然未知。纳米尺度的原位表征技术，尤其是原位透射电子显微镜(TEM)，已经显示出以前所未有的高空间分辨率监测各种纳米尺度材料动态过程的能力。
本文中，研究人员利用带有电偏压的原位TEM装置模拟高温冲击法，研究了这一过程中纳米颗粒在碳载体上的形成和稳定性。发现金属纳米颗粒的形成与无定形碳同步相变(T-石墨)为高度缺陷的湍流石墨有关。分子动力学(MD)模拟表明，缺陷T-石墨为纳米粒子的形成提供了许多成核位置。此外，纳米颗粒部分嵌入并扎根于边缘平面，这导致支架上的结合能更高。纳米粒子与T-石墨基体的相互作用增强了纳米粒子的锚定效应，为纳米粒子提供了良好的热稳定性。
图1用焦耳电加热原位透射电子显微镜观察到了铂纳米粒子在H2PtCl6负载的CNF上的形成。
图2焦耳加热过程中含盐无定形CNF的结构评估。
图3原始非晶CNF在焦耳加热过程中演化的TEM和EDS分析。
图4输入功率~ 40 μ W时碳纤维焦耳加热过程的有限元分析。
图5焦耳加热的S-CNFs上单元素和多元素纳米颗粒的HRTEM和STEM表征。
有棱面的T石墨存在时Pt团簇的形态推断。
图7原位退火法用于研究CNF载体上纳米铂的热稳定性。
综上所述，研究者的工作提供了无定形碳载体上纳米颗粒的直接可视化，阐述了无定形碳在电焦耳加热过程中暴露于极高温度下的石墨化细节。非晶碳纤维焦耳加热的原位TEM研究表明，由于焦耳加热过程中的非晶-结晶相变，CNFs体积膨胀，这也与碳载体上金属纳米粒子的形成和稳定性有关。这些发现为高温下在碳载体上快速合成金属纳米粒子及其稳定性的来源提供了机理理解。(文:水生)