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祝贺胡悦特聘教授团队还原剂化学调控贵金属气凝胶相关成果在自然子刊《Nature Communications》发表
发布时间:2020-05-04

贵金属气凝胶(NMAs)兼具气凝胶的大比表面积和贵金属的高催化活性,因此被广泛研究,它尤其在电催化领域性能突出。NMAs通常是通过对贵金属水凝胶进行冷冻干燥或超临界干燥得到。但是,这一领域的关键问题之一在于,由于人们对水凝胶形成过程的理解极为不足,导致在参数调控(如特征尺寸、化学组成、空间元素分布)方面存在很大问题,故无法进行有效的构效关系研究。自2009年问世以来,贵金属水凝胶的制备方法通常分为两步:(1)加入还原剂,将金属盐还原为金属纳米颗粒;(2)加入引发剂,诱导纳米颗粒组装成凝胶网络。2013年,研究者发现作为还原剂的硼氢化钠(NaBH4)可以将金属盐直接转化为凝胶,从而将先前的两步法融为一步,无需引入额外的引发剂。这一策略简单易行,且利于提高产物纯度,因此成为NMA领域最受欢迎的合成方法之一。但是,这一方法存在三个尚未解决的关键问题:室温于常用金属前体浓度(~0.2 mM)条件下,凝胶形成时间长达数天至数周,难以满足研究与生产要求;其次,反应机理不清,影响后续设计;这一方法仅适用于钯(Pd)、铜-金(Cu-Au)、铜-钯(Cu-Pd)、铜-铂(Cu-Pt)等有限几种体系。


为解决上述问题,德累斯顿工业大学Alexander Eychmüller教授团队、温州大学胡悦副教授团队与普渡大学王进莹博士合作,通过实验和理论相结合的方式揭示了还原剂的多种作用(即还原、稳定、引发等)以及潜在的凝胶形成机理,提出了一种过量NaBH4诱导凝胶的新策略。相对于之前报道(NaBH4与金属盐的比例R/M为1.5~5),本工作将R/M提高到100。由此,室温下只需4~6小时即可形成凝胶(传统方法需要数天或数周)。该方法具有高效的去稳定化能力,可以将多种配体稳定的金属纳米粒子(如PVP、脱氧胆酸钠、聚苯乙烯磺酸钠等)转化为凝胶,即激活了制备中的配体化学。由此,获得了具有创纪录比表面积(59.8 m2/g)的金气凝胶。这一方法适用于Au、银(Ag)、Pd、Pt、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)等贵金属及其合金凝胶的制备,大大拓展了NMAs的元素组成。此外,发现了Ru、Rh、Au-Rh气凝胶奇特的自燃现象,并获得了高性能的乙醇氧化反应(EOR)、析氧反应(OER)催化剂(组成分别为Au-Pd与Au-Ir)。



参考文献:

Unveiling reductant chemistry in fabricating noble metal aerogels for superior oxygen evolution and ethanol oxidation

Ran Du, Jinying Wang, Ying Wang, René Hübner, Xuelin Fan, Irena Senkovska, Yue Hu*, Stefan Kaskel, Alexander Eychmüller*

Nat. Commun., 202011, 1590. DOI: 10.1038/s41467-020-15391-w