仪器表征，科学家提出金属异质结构的区域选择性外延生长新技术！
导读：以上文章提出了一种新颖的动力学控制合成框架，专门用于设计Pt/Pd–Sb异质结构中的区域选择性架构。
【科学背景】
与单金属材料相比，贵金属基异质结构（NMHSs）结合了两种或更多种材料，具有整合单金属优势并克服单个组件弱点的潜力，从而在给定应用中实现性能提升，甚至产生额外功能。因此，精确定义组成、结构和界面的NMHSs的受控合成对于推进这一领域的研究至关重要。
然而，NMHSs在异质界面处不可避免地存在晶格不匹配问题，由于不同晶体在异质界面处的不对称晶格不匹配，导致难以构建明确定义、原子精确的异质结构。这种晶格不匹配的问题难以准确识别，进一步增加了受控合成的难度。此外，直接一步法合成具有目标结构取向、成分分布和界面的NMHSs尚未得到充分研究，其主要障碍在于如何在成核和生长阶段调节前驱体的热力学和动力学平衡。
为了解决这些问题，科学家们提出了三项关键参数：首先，必须准确识别和控制金属前驱体的还原速率，以形成预制的基材材料。其次，基材材料必须足够坚固，以承受后续生长过程中化学环境的变化，并且应具有各向异性，这可以通过在异质界面处实现最佳晶格匹配来达到。最后，必须避免次生材料在基材表面上的不良异质成核，以使其能够顺利外延生长。
有鉴于此，厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室的黄小青和来自苏州大学化学化工与材料科学学院的邵琪合作报道了一种动力学控制的一步法合成Pt/Pd-Sb异质结构中的区域选择性架构的方法。通过精确控制Pt前驱体的成核速率，成功合成了两种类型的明确定义的Pt/Pd-Sb异质结构，即在Pd20Sb7六方纳米片上区域选择性外延生长的Pt冠和在Pd20Sb7纳米片上均匀分布的Pt壳。此外，通过相位和形貌调节来验证合成机制。
【科学亮点】
1. 本研究首次成功实现了一种一步法动力学控制合成框架，用于构建金属异质结构中的区域选择性架构。该方法能够同时考虑金属前驱体的还原速率和异质界面处的晶格匹配关系，解决了传统方法中复杂过程、杂质污染以及不明确生长机制的问题。
2. 实验通过一步法合成框架，成功实现了Pd–Sb异质结构的相位和形貌调节。从Pd20Sb7六方纳米片（HPs）到Pd8Sb3 HPs的相位调节，以及从Pd20Sb7 HPs到Pd20Sb7菱形体和Pd20Sb7纳米粒子的形貌调节，为选择和优化基材材料提供了坚实的基础。
3. 实验中通过精确控制Pt前驱体的成核速率，合成了两种类型的明确定义的Pt/Pd–Sb异质结构。包括在Pd20Sb7六方纳米片（r-Pt/Pd20Sb7 HPs）上区域选择性外延生长的Pt冠，以及在Pd20Sb7 HPs上均匀分布的Pt壳（u-Pt/Pd20Sb7 HPs）。
4. 研究表明，区域选择性外延生长的Pt在Pd20Sb7 HPs上的催化活性大大增强。特别是用于乙醇氧化反应（EOR）时，r-Pt/Pd20Sb7 HPs/C的质量和比活性显著高于商业Pt/C，其活性是商业Pt/C的57倍。此外，r-Pt/Pd20Sb7 HPs/C在2000个循环后表现出更高的稳定性（下降16.3%）和选择性（72.4%），远优于商业Pt/C（56.0%和18.2%）。
【科学图文】
图1：相位和形态调节的演示。
图2. r-Pt/Pd20Sb7 HP 和 u-Pt/Pd20Sb7 HP 的形态表征和结构分析。
图3. r-Pt/Pd20Sb7 HPs和u-Pt/Pd20Sb7 HPs的电子结构。
图4. r-Pt/Pd20Sb7和u-Pt/Pd20Sb7 HPs的合成机理研究。
图5：用于验证区域选择性生长机制的形态调控。
图6：Pt/Pd20Sb7 HPs的乙醇氧化反应应用。
【科学结论】
以上文章提出了一种新颖的动力学控制合成框架，专门用于设计Pt/Pd–Sb异质结构中的区域选择性架构。通过精确调控Pd–Sb互金属相的相结构和形貌，以及Pt前驱体的还原速率，实现了对Pt在异质结构表面生长过程的精确控制。其中，利用Pt与Pd–Sb互金属相之间的优化晶格匹配，有助于实现Pt的偏好性生长，提高了催化性能和稳定性。
此外，通过调整不同Pt前驱体的还原动力学，有效地打破了成核和生长的平衡状态，进一步调控了Pt在Pd–Sb表面上的分布规律。这些技术创新为制备具有精确定义结构的异质结构材料提供了新的途径，开拓了材料设计和功能优化的新前景。这种方法不仅适用于催化材料领域，还对电化学、传感器和其他功能材料的开发具有广泛的应用潜力，为未来材料科学和工程提供了重要的理论和实验基础。
原文详情：Huang, X., Feng, J., Hu, S. et al. Regioselective epitaxial growth of metallic heterostructures. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01696-0
来源于：仪器信息网
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