注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析
金属纳米粒子由于具有超高的比表面积，通常表现出不同于块体金属的氧化机理，因而形成形态各异的氧化物纳米结构。但是，由于粒子尺寸较小，反应速率极快，人们对于原子尺度下金属纳米粒子的氧化机理认识较少。
近期，山东大学材料科学与工程学院李辉教授课题组在金属纳米粒子氧化机理研究方面取得了重要进展，揭示了铝纳米粒子在氧化过程中一种特殊的“链状”氧化物形核与生长机理。研究表明，氧气的吸附与解离在铝纳米粒子表面具有选择性，导致氧化物优先在配位数较低、活性较高的corner和edge位点处形核。在低浓度氧气下，形核后的氧化物链接在一起，成链状覆盖于粒子表面并缓慢生长，最终形成金属-氧化物的核-壳纳米结构。
而在较高温度或氧气浓度的条件下，剧烈的氧化反应放出大量的热，为表面原子提供较大的动能，融化部分表面原子，增加表面结构的不稳定性。表面氧化物会在动能、内应力和晶格失配的共同影响下外延生长形成独立于基体的链状氧化物的结构。链状氧化物在之后的生长过程中可能相互融合形成更大的氧化物链环绕在粒子表面，或者因不稳定而脱离基体生成独立的氧化物团簇，取决于反应温度和氧气浓度。此外，模拟结果预测了氧化产物的结构形态与氧气浓度、温度、纳米粒子尺寸等因素的关系，探讨了纳米粒子的氧化动力学和氧化过程中的成分演变，为研究低维材料的氧化腐蚀机理提供了理论见解。
这一成果近期发表于ACS Nano上，该文章的第一作者为山东大学2017级硕士生张邢帆，李辉教授和蒋妍彦教授为共同通讯作者。本研究工作得到了材料液固结构演变与加工教育部重点实验室、国家自然科学基金、山东省泰山学者计划、山东大学齐鲁青年学者计划项目的大力支持。
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Atomistic Origin of the Complex Morphological Evolution of Aluminum Nanoparticles during Oxidation: A Chain-like Oxide Nucleation and Growth Mechanism
Xingfan Zhang, Chengrui Fu, Yujie Xia, Yunrui Duan, Yifan Li, Zhichao Wang, Yanyan Jiang,* Hui Li*
ACS Nano, 2019, 13, 3005-3014, DOI: 10.1021/acsnano.8b07633
李辉教授简介
山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主要从事纳米功能材料的设计与研发工作，在材料表面润湿性、纳米器件的电子输运性质、金属熔体结构及相变、纳米材料的自组装、金属氧化与腐蚀等多个领域开展了研究。近年来，该团队在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., ACS Nano, NPG Asia Mater. 等国际知名期刊上发表了一系列有重要影响力的研究成果，受到国内外同行的广泛关注。
https://www.x-mol.com/university/faculty/44800
蒋妍彦教授简介
山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，齐鲁青年学者。主要从事纳米尺度功能材料开发、靶向药物载体及纳米医药、疾病诊断分子探针、用于组织缺损修复与再生的微纳尺度医用功能材料再生方面的应用等方向研究。近年来，近年来，在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano等国际期刊上共发表SCI论文40余篇。现任Journal of New Developments in Chemistry 编委，Frontiers in Energy Research: Hydrogen Storage and Production 审稿编辑、澳大利亚皇家化学会会员、澳大利亚纳米科学技术组织会员等学术兼职。
https://www.x-mol.com/university/faculty/63910
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：解决材料因氧化腐蚀而导致的失效问题，以及推进金属、金属氧化物及其复合的纳米粒子功能材料在能源、催化领域的应用，都需要我们深入理解材料在原子尺度下的氧化机理。金属纳米粒子由于具有较高的比表面积和特殊的表面原子排列，和块体金属相比具有显著的差异，因此在化学反应中会表现出不同于块体金属的反应机理。因此，本工作主要的目的就是探究金属纳米粒子氧化机理的特殊性。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：该研究最大的挑战是揭示链状氧化物外延生长这一特殊现象的内在原因。纳米粒子表面与环境气体之间相互作用十分复杂，不仅需要理解纳米粒子原子结构的特殊性，更需要弄清这种特殊性对氧化反应的影响，需要我们从粒子结构、热力学、动力学等多角度分析纳米粒子与环境间的复杂相互作用。
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