近期，爱荷华州立大学化学系黄文裕教授课题组报道了可以实现各向异性的金属间化合物-金属纳米颗粒高效制备的方法。所制备的纳米颗粒在硝酸根的电催化还原方面展现了特殊的催化性质。相关成果以“Precisely Controlled Synthesis of Hybrid Intermetallic?Metal Nanoparticles for Nitrate Electroreduction”为题发表在“ACS applied materials & interfaces”。爱荷华州立大学化学系博士研究生於佳琪为论文第一作者。
金属间化合物是一种具有确定的化学组分以及有序的晶体结构的合金。该工作在现有的热注入法制备金属纳米颗粒的基础上，进行了进一步改进，发展了一种可以实现“一锅法”制备杂化金属间化合物-金属纳米颗粒的合成方法。与常见的核壳结构不同，所合成的纳米颗粒是由金属间化合物和金属以“肩并肩”的方式组合而成，因而同时具备两种材料的表面以及他们之间的界面，具有各向异性的性质。
如图一所示，该工作首先合成了形貌均一的锡纳米颗粒，在此基础上，加入铜的前驱体。通过精确控制加入铜的量，可以调控所合成的纳米颗粒的结构。当加入铜的量与体系内锡的比例为1/4，1/2 和1/1时，从透射电子显微镜图片中可以看到，单个纳米颗粒由明、暗两种组分组成，这说明了所合成的纳米颗粒具有各向异性的杂化结构。
图一 铜锡纳米颗粒的透射电子显微镜图
X射线粉末衍射结果（图二）和高分辨透射电子显微镜结构分析（图三）进一步证明了所合成的纳米颗粒是由铜锡（Cu6Sn5）金属间化合物与金属单质锡组成，并且，两组分以“肩并肩”的形式存在于纳米颗粒内。
图二X射线粉末衍射
图三高分辨透射电子显微镜图以及结构分析
上述方法制备的杂化铜锡纳米颗粒在硝酸根的电催化还原反应中表现出优良的性质。在铜锡纳米颗粒的催化下，硝酸根还原在较正的起始电位下开始反应。同时，杂化铜锡纳米颗粒在硝酸根电催化还原中展现了高质量活性（图四）。与已报道的大部分铜或锡的催化剂不同，杂化铜锡纳米颗粒催化硝酸根还原的主要产物为亚硝酸根。在硝酸根催化还原中，亚硝酸根常常被认为是不稳定的中间产物，亚硝酸根一旦产生会立刻还原为更稳定的含氮物质，如氮气和氨。亚硝酸根在化工和制药领域扮演着重要的角色，是很多药品和试剂生产中必不可少的原料或中间体，例如咖啡因和农业杀虫剂。铜锡催化剂催化硝酸根还原在一定的电位范围内，亚硝酸根的选择性高达90%，主要的竞争反应即析氢反应也被极大的抑制了，所以亚硝酸根产生的法拉第效率也呈现较高水平（图五）。因此，所制备的具有各项异性的杂化铜锡纳米颗粒由于特殊的金属间化合物-金属杂化的结构，在电催化中展现了优异且特殊的性质，也呈现了在其他催化及其他领域的应用前景。
图四 铜锡催化下的硝酸根还原线性扫描伏安法的结果
图五 不同电位下硝酸根还原的产物分布以及法拉第效率
作者简介
黄文裕， 爱荷华州立大学化学系教授，2000年南京大学化学本科，2002年南京大学硕士，2007年佐治亚理工博士（导师Mostafa A. El-Sayed），2011年加州大学伯克利分校博士后（导师Gabor A. Somorjai, Peidong Yang），2011年至今就职于爱荷华州立大学化学系。课题组以合成新型纳米异相催化剂及其异相催化反应为主体研究方向，研究金属，氧化物，碳材料，金属有机骨架（MOF），和相应复合纳米材料在异相加氢，氧化，偶联等反应中的应用和机理研究。该课题组在Nat. Catal.，Chem, Nat. Commun., Angew. Chem.-Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.，ACS Catal.发表多篇工作。课题组主页链接：http://whuang.public.iastate.edu/homepage.html
相关链接
Yu, J.; Kolln, A. F.; Jing, D.; Oh, J.; Liu, H.; Qi, Z.; Zhou, L.; Li, W.; Huang, W. “Precisely Controlled Synthesis of Hybrid Intermetallic–Metal Nanoparticles for Nitrate Electroreduction.” ACS Applied Materials & Interfaces, 2021.
https://doi.org/10.1021/acsami.1c09301
