Nat. Commun.: 通过气相去合金化制备三维双连续多孔纳米材料

【引言】

开放性三维双连续（3DBO）纳米孔隙材料引起了越来越广大的关注，这是因为这种结构有着大的比表面积和高的电/热导率，能够适用于催化，表面增强拉曼散射，驱动和能量储存及转化等领域。去合金化，即选择性地从合金中去除某一组分，是制造纳米多孔材料的有效方法。然而，目前的电化学和液态金属脱合金法只能用于有限数量的合金，并且通常需要的蚀刻工艺会产生化学污染。在这，文章提出了一种绿色和通用的方法，气相去合金化法（VPD）法，其是利用合金中的构成元素之间的蒸气压差来制造纳米多孔材料，通过高的局部气压来选择性地去除合金中某组元从而得到3DBO纳米孔隙度。无论其化学活性如何，广泛的材料都可以制成具有可调节孔径的纳米多孔材料。重要的是，蒸发的组元能够完全回收。这种环境友好的合成方法为制造广泛的结构和功能应用的3DBO纳米多孔材料打下基础。

【成果简介】

近日，日本东北大学陈明伟教授（通讯作者）等团队在Nature Communications上发表题为 “Three-dimensional bicontinuous nanoporous materials by vapor phase dealloying ”的文章。文章中提出了一种全新的去合金化方法——VPD法来制备纳米多孔材料，该团队已成功地从前驱体Co₅Zn₂₁、Ti₂Zn₈、Ni₂Zn₁₁、Si₂Zn₈中分别制备出纳米多孔Co、纳米多孔Ti、纳米多孔Ni、以及纳米多孔Si材料等。文章证实VPD是一种通用、经济且环保的纳米多孔材料制备方法。

【图文导读】

图1. 气相去合金化及制备模型——Co₅Zn₂₁前驱体

a. 锌 - 钴合金系统中锌和钴的饱和蒸汽压的温度依赖性。

b. 纳米多孔钴制造过程的示意图。

c. Co₅Zn₂₁前驱体薄带的XRD图谱和相应的γ-Co₅Zn₂₁的PDF标准卡。插图显示了Co₅Zn₂₁前驱体薄带的照片。 

d. 高真空可回收气相去合金系统的示意图。

图2. 低真空纳米多孔钴的微观结构表征

a-d. 在773 K和100 Pa下纳米多孔钴在从5到120分钟的不同去合金化时间的扫描电镜图，a-d比例尺为200纳米。

e. 纳米钴的孔径的时间依赖性。

f. 在30分钟的固定的去合金化时间下孔径与去合金化温度之间的关系。

图3. 纳米多孔钴在高真空下的微观结构表征

a-b. 在673 K和6×10^-3 Pa下，去合金化时间为20 min，60min的纳米多孔钴的扫描电镜图。图中比例尺为100 nm。

c. 低真空和高真空去合金化条件下残余锌浓度与去合金化时间之间的关系。 

d. 不同去合金化条件下的孔径大小和去合金化时间的关系。

图4. 纳米多孔钴的结构及物理性能

a. 在773 K和100 Pa下各种去合金化时间制备的纳米多孔钴的XRD图谱。

b. 在773 K和100 Pa下不同的去合金化时间下纳米多孔Co晶格参数的变化。

c. 在低和高真空 去合金化条件下从ln[d(t)]与ln(t)之间的关系曲线测得粗化指数。

 
d. 在不同的去合金化条件下纳米多孔钴形成和粗化的估计活化能E值。

【小结】

文章介绍了一种通用的去合金化法（VPD）来制备3DBO纳米多孔材料。通过使用Zn-Co作为原型系统，证明了通过VPD可以实现Co的3DBO纳米孔隙度，并且通过控制合成温度，时间和压力，可以将尺寸调整到从几十纳米到微米的宽尺寸范围。这项研究为今后制造和设计广泛的结构和功能应用的双连续纳米多孔材料奠定了基础，对纳米材料的科学应用具有重大意义。

文献链接：Three-dimensional bicontinuous nanoporous materials by vapor phase dealloying（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-017-02167-y）

本文由材料人编辑部新人组熊富豪编辑，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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