JACS：晶面可控合成非常规晶相纳米合金用于高效HOR

金属纳米材料由于其独特的物理化学性质在多种催化反应中展现出了优异的性能，因此受到广泛的研究与关注。含有两种或以上金属元素的多元合金纳米材料，得益于其不同组分间的协同效应，可以比单金属材料表现出更优异的催化活性。近年来，纳米材料相工程（Phase Engineering of Nanomaterials, PEN），即通过调控纳米材料的相来改变其性质与功能，为设计和合成高性能金属纳米催化材料提供了一个高效可行的方向。特别是，具有非常规晶相的金属纳米材料在多种催化反应中展示出明显优于热力学稳定常规晶相材料的性能。此外，大量的前期研究证实，催化剂中特定晶面的原子排列方式也可以极大地影响催化反应中间体在其表面的吸附与脱附过程。因此，催化剂表面暴露的不同晶面可以展示出不同的催化活性。故而，金属纳米材料的晶面调控也成为了另一种提高金属纳米材料催化活性的重要策略。然而，基于具有非常规晶相的金属纳米材料进行晶面调控仍然是一个巨大的挑战，这阻碍了探索晶面对非常规晶相金属纳米材料的性质及功能的影响。

基于此，香港城市大学张华教授团队联合香港理工大学黄勃龙教授、朱叶副教授和北京科技大学葛一瑶研究员团队，以具有非常规密排六方相（2H相）的Pd纳米颗粒为晶种，通过改变合成参数选择性地调控NiRh合金壳层的外延生长方向，制备了两种具有非常规2H晶相、但形状不同的NiRh合金，分别为2H-Pd@2H-NiRh核壳纳米片 (NPL) 和2H-Pd@2H-NiRh 核壳纳米棒 (NR)。值得注意的是，与2H-Pd@2H-NiRh纳米片相比，2H-Pd@2H-NiRh纳米棒暴露了更多的 (100)_h 以及 (101)_h 晶面和更少的 (002)_h 晶面，这为研究非常规晶相金属纳米材料中晶面与催化性能的构效关系奠定了材料基础。具体而言，在电催化氢气氧化反应（HOR）中，2H-Pd@2H-NiRh纳米棒展现出显著优于2H-Pd@2H-NiRh 纳米片和常规fcc晶相NiRh合金（fcc-NiRh）的催化性能，揭示了晶面调控在增强非常规晶相金属纳米材料催化性能上的重要作用。密度泛函理论（DFT）计算说明了2H-Pd@2H-NiRh纳米棒的优异HOR性能源自于其2H-NiRh壳层表面暴露了更多 (100)_h 和 (101)_h 晶面，从而展示出更高的电子转移效率，优化了H*和OH*结合能，且降低了HOR过程中速率决定步骤的能垒。

图1. 2H-Pd@2H-NiRh纳米片和2H-Pd@2H-NiRh纳米棒合成示意图

图2. 2H-Pd@2H-NiRh纳米片的形貌、元素分布及原子排列表征

图3. 2H-Pd@2H-NiRh纳米棒的形貌、元素分布及原子排列表征

图4. 电催化HOR性能表征

图5. DFT计算

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是香港城市大学博士研究生王习习，北京科技大学研究员葛一瑶，香港理工大学博士后孙明子和博士研究生徐志航。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Facet-Controlled Synthesis of Unconventional-Phase Metal Alloys for Highly Efficient Hydrogen Oxidation

Xixi Wang, Yiyao Ge*, Mingzi Sun, Zhihang Xu, Biao Huang, Lujiang Li, Xichen Zhou, Shuai Zhang, Guanghua Liu, Zhenyu Shi, An Zhang, Bo Chen, Qingbo Wa, Qinxin Luo, Ye Zhu*, Bolong Huang*, Hua Zhang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 24141-24149, DOI: 10.1021/jacs.4c08905

导师介绍

张华

https://www.x-mol.com/university/faculty/68988 

黄勃龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/65818 

朱叶

https://www.x-mol.com/groups/zhuye