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微波法超快制备纳米结构贵金属气凝胶

邃瞳科学云

2021-10-13

导读：本文采用微波法简单、快速地制备了多组分纳米结构NMAs，仅需10 s即可实现NMAs的大规模制备应用，这是NMAs有效合成的一个重要突破

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第一作者：赵欢

通讯作者：王磊赖建平

通讯单位：青岛科技大学

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acsanm.1c02746

全文速览

贵金属气凝胶(NMAs)作为一种自支撑三维材料，因其比表面积大、孔隙率高、催化活性好而备受关注，在各个领域都取得了令人满意的研究成果。然而，NMAs的制备工艺成本高、耗时长，且所需前驱体浓度高、工艺复杂、韧带大小参差不齐。尽管良好的形貌和尺寸特性使其具有广阔的应用前景，但上述问题一直是其发展的巨大障碍。在这里，考虑到微波炉的微波和加热功能兼具，我们提出了一种采用微波加热过程来超快速制备纳米NMAs的合成方法。仅需10秒即可获得纳米NMAs(包括单金属、双金属和三金属NMAs)，在非常宽的初始盐浓度范围内(2.0 μM-6.25 mM)成功凝胶，并首次迈入微摩尔级别。此外，气凝胶的尺寸也得到了很好的控制，特别是合金气凝胶，都达到了10 nm以下的尺度。此外，我们还发现纳米结构的NMAs在析氢反应和乙醇氧化反应中表现出优异的电催化性能。这无疑为纳米NMAs的快速高效制备提供了一条便捷的途径，也为电催化剂的发展开辟了更广阔的领域。

背景介绍

近年来，三维多孔材料层出不穷。气凝胶作为一种低密度、大比表面积、多孔结构的优良材料，在储能设备、燃料电池、清洁材料、医学分析、高能炸药等科学研究和工业生产中发挥着重要作用。除了气凝胶的一系列特性外，NMAs还具有金属材料的特性，丰富的活性中心和高的电导率保证了电子的高速传递，进而保证其优异的催化性能。

传统上制备NMAs有两种方法。第一种方法是两步法，包括纳米粒子的独立合成和组装，该过程复杂，而且经常引入杂质。随后，另一种方法被提出即一步法，它利用还原剂直接从金属盐溶液中获得凝胶。这种方法正在逐步开发中；虽然它简化了初步操作步骤，但它通常需要较长的周期来沉淀凝胶(在室温下甚至需要几天)。此外，昂贵的生产成本、复杂的工艺、冗长的周期和韧带的大小不均匀一直是困扰科研人员的难题。虽然到目前为止已经取得了一些成就，但在实际生产中更方便、更高效和更大规模的NMAs合成仍然是一个严峻的挑战。因此，有必要探索一种快速合成气凝胶的新方法。

图文解析

图1. 用微波方法演示和表征Au气凝胶(C_M=6.25 mM)。(a) 模拟Au气凝胶的形成过程。(b)不同功率下Au凝胶化过程的照片(反应时间为30 s)。(c-f) Au气凝胶的TEM图像，对应于10%、30%、50%和80%的功率。(g) Au气凝胶的SEM图；插图：冷冻干燥后的气凝胶的照片。(h) UV-Vis吸收光谱揭示了凝胶状态。(i) 关于本工作中报道的NMAs的凝胶化时间与初始金属盐浓度之间的关系和以往文献汇报的总结。

图2. (a-c) Pd、Au-Rh和Au-Pt-Pd气凝胶的TEM图像。(d-f) Au-Pt、Au-Rh和Au-Pt-Pd气凝胶的STEM-EDX图谱。(g-h) 单金属NMAs和合金NMAs的韧带尺寸。

图3. NMAs在1.0 M KOH中的HER电催化性能。(a) 扫描速率为5 mV s^-1的LSV曲线。(b)电流密度为10 mA cm⁻²的过电位。(b) 塔菲尔曲线图。(d) 1000次CV测试前后Au-Rh气凝胶的LSV曲线。

图4. NMAs在1.0 M KOH+乙醇中的EOR电催化性能。(a) 扫描速率为50 mV s⁻¹的CV曲线。(b) 质量活度(I_f)和I_f/I_b。(c) 在1.0 M KOH+乙醇溶液中的计时安培测试。(d) Au-Pt-Pd气凝胶在8000 s计时电流法测试前后的CV曲线。

总结与展望

综上所述，我们采用微波法简单、快速地制备了多组分纳米结构NMAs，仅需10 s即可实现NMAs的大规模制备应用，这是NMAs有效合成的一个重要突破。另外，我们合成的Au-Rh气凝胶具有优良的HER性能，Au-Pt-Pd气凝胶具有优良的EOR性能，这也为HER和EOR提供了令人满意的电催化剂，主要得益于NMAs的独特的结构和固有性质。我们希望可以通过微波法促进纳米NMAs合成的发展，进一步实现纳米NMAs的广泛应用。

文献来源

Zhao, H., Yuan Y., Zhang, D. et al. Ultrafast Generation of Nanostructured Noble Metal Aerogels by a Microwave Method for Electrocatalytic Hydrogen Evolution and Ethanol Oxidation. ACS Appl. Nano Mater. (2021). https://doi.org/10.1021/acsanm.1c02746

通讯作者介绍

赖建平教授，2019年以高层次引进到青岛科技大学化学与分子工程学院，教授，博导，泰山学者青年专家，山东省优秀青年基金获得者。近五年发表SCI论文70余篇，其中以通讯作者和第一作者身份在 Nat. Commun.（2）、Chem、 Joule、 ACS Cent. Sci.、Energy Environ. Sci.（2）、 Adv. Mater.、 Adv. Energy Mater.（2）、Adv. Funct. Mater.（3）、Nano Today、 Nano Lett.、Cell Reports Phys. Sci.、 Electrochem. Energy Rev.、Appl. Catal. B: Environ.（3）、 Small（3）、 J. Mater. Chem. A（8）等国际著名期刊上发表SCI论文三十余篇。授权国内发明专利两项。主持科研项目包括山东省泰山学者人才工程计划项目、山东省优秀青年基金、国家青年基金等项目。

王磊 教授，山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室。长期从事绿色能源和多孔催化相关领域研究，已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Energ Environ Sci, Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A., Sci. China. Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文二百余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0的论文六十余篇。主持国家级和省部级项目十余项，获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。