妙手搭建钌原子“凉亭”：具有中空结构的高效金属催化剂

材料牛注：近日，密西根理工大学的研究人员利用两步法，生长出具有纳米框架结构的金属钌晶体，内部中空，形似凉亭，具有高催化活性，为金属催化剂的制备提供了新思路。

通过生长与刻蚀的两步法制备的“凉亭”形中空金属钌催化剂

现如今，全球的发展都离不开催化剂的推动，它们可以净化汽车尾气,能够用于肥料生产,也是制备更优化的氢燃料的关键。近日，由密西根理工大学Xia Xiaohu教授领头的化学家团队，找到了制备金属催化剂的“妙招”。

。研究人员使用新的方法，首次使用金属钌制备催化剂，而这一重大突破并不仅仅局限于钌这一种金属。Xia认为最重要是他们研究的过程：“我们正在对催化剂的表面、尺寸、形状和晶体结构进行优化调整,目标是提高其催化活性,同时减少昂贵材料的使用。”

为了做出更好的催化剂,Xia从美国阿贡国家实验室、德克萨斯大学和天普大学组建了一支研究团队，其中还包括了Xia教授的研究生Ye Haihang（论文的第一作者）和本科生Joseph Vermeyle等，都参与了这项工作。

纳米催化剂

从化学的角度来说,催化剂能够增加反应速率,引发反应或促使反应持续快速进行。从原材料角度来说,催化剂的来源也不同,尽管其中最重要的往往是一些贵金属。钌是一种相当稀有的贵金属,已经成为金、铂、钯等优质的贵金属催化剂的一员。

Xia说，这类金属十分稀有,因而需要尽可能的减少生产过程中的使用量。通常研究者会去控制催化剂的形状和尺寸，而其关键是增大催化剂的表面。新的方法所得催化剂形成了纳米框架结构，它以纳米粒子为基础中心镂空，形成类似于“凉亭”形状的原子排布而具有很大的优势。而另一个优势是，我们的催化剂内部空间是有效可用的，并且金属钌的结构更加精细。由于催化反应只发生在材料的表面,因而表面原子排列对于催化活性有很大的影响。

原子的排布（即材料的晶体结构）很难被控制。通常，钌纳米晶体的结构是六方密堆积（hcp）。但Xia和他的团队提出了一个简洁的方法，使钌纳米晶体结构变成面心立方（fcc）。

生长和蚀刻

制备的过程包括两个步：生长和蚀刻。通常，钌的自然生长难以形成纳米骨架结构的晶体。研究人员别出心裁，先在钯的晶核生上使钌生长成纳米骨架结构，之后再将钯祛除。第一步，是从具有面心立方（fcc）结构的钯晶种开始，研究人员以此作为原子模板。钌优先生长在具有八面体结构的钯晶种的边缘和棱角上。这样，新形成的钌很容易地复制了钯晶种的面心立方结构。第二步叫做蚀刻，除去钯晶种，留下被掏空的具有纳米骨架结构的钌。

为了确保材料有催化潜力，研究团队对纳米骨架结构的钌进行了测试：硼氢化钠还原对硝基苯酚，以及氨硼烷的脱氢反应。尽管需要更多的数据来量化钌相比现有的金属催化剂具有的优越性，但Xia仍然对他们的实验结果很有把握。

下一步工作

Xia说，提高材料的稳定性是下一阶段的研究重点。一种新的催化剂，需要研究其全面的性能特点和极限条件测试，我们想要知道它保持纳米骨架结，又能保持面心立方结构并具高效的催化活性的极限生长厚度。

最重要的是，一旦材料已通过审核，研究人员就能够将催化剂运用到几项重大挑战中，也就是Xia所说的，这种钌催化剂和其他具有独特晶体结构的催化剂可以用来改善氢燃料的生产和碳的储存。这对金属催化剂来说是一项崇高的事业。

本文由材料人编辑部杨洪期提供素材，王艳翻译，李卓校对审核。

该研究成果发表于Nano Letters上。

原文参考地址：Researchers Find Way to Make Ruthenium Nanoframes

学术论文原文参考地址：Ru Nanoframes with an fcc Structure and Enhanced Catalytic Properties