基于二维插层配位聚合物为前体的负载型超细合金纳米粒子的构筑及催化性能研究

多金属合金纳米粒子,由于不同金属物种间的协同效应,常常表现出较单金属纳米粒子更为优异的甚至新的物理化学性能,近年来受到了研究人员的广泛关注。但是,合金纳米粒子的高效可控制备却一直是一个巨大挑战:一方面,传统的湿化学合成方法通常步骤繁琐耗时;另一方面,由于不同金属物种的热力学和动力学性质的差异,在相同的制备条件下难以实现粒子成核和结晶的同时控制,从而导致合金不均一性难以避免。因此,发展简易高效可控的合成均匀多金属合金纳米粒子的方法对于其基础研究和实际应用均具有重要价值,是一个有意义的课题。

近期,新加坡国立大学曾华淳教授课题组及剑桥大学合作课题组结合配位化学和插层化学,发展了一种负载型超细均匀合金纳米粒子制备的新方法并对复合纳米材料的催化性能进行了研究。研究人员先通过一步溶剂热法制备了具有微纳分级结构的三维镁铝水滑石花球(MgAl-LDH);然后,利用水滑石层间阴离子交换性能,将多种不同的含金属的阴离子前驱体(cyanometalate [MA(CN)n]2/3 和 chlorometalate [MBCl4]2)分步插入水滑石层间,在金属前驱体插层交换的同时,不同的阴离子前体之间通过配体取代发生配位反应得到二维的腈基桥联配位聚合物(cyanide bridged coordination polymers)限域于水滑石层板之间;最后,经过硼氢化钠辅助的液相还原或简单的高温自还原法,得到水滑石(或煅烧水滑石)负载的多金属合金纳米粒子复合物(LDH/LDO-alloy NPs)。该方法具有如下优点:二维的腈基桥联配位聚合物中不同金属离子物种均匀混合,使其可作为一类优良的制备均匀混合的多金属合金纳米粒子的前驱体;此外,以具有大比表面积,丰富多孔结构的微纳分级结构的水滑石作为载体,有利于高度分散的超细合金纳米粒子(d = 2-3 nm)的制备和负载;值得一提的是,由于含金属的阴离子前驱体的丰富选择和组合,该方法具有很强的普适性,研究人员制备了一系列负载型的二元(FePd,FePt,CoPd,CoPt,NiPd,NiPt 和 PtPd)甚至三元的合金纳米粒子(FePdPt,FeNiPt,FeCoPt 和 NiCoPt)。

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该负载型超细合金纳米粒子复合物在众多领域均具有潜在的应用价值。研究人员选取水滑石负载的镍钯合金粒子复合物(LDH/NiPd)作为研究对象,以碳-碳偶联反应(Suzuki-Miyaura, Heck 和 Sonogashira 偶联反应)作为探针反应,研究了其催化性能。结果表明,由于该材料特殊的结构(包括大比表面积,丰富的孔道,微纳分级结构和高度分散的超细合金粒子等)以及金属间协同效应,表现出了优异的催化活性,产物选择性和循环稳定性能。

该研究工作为负载型超细合金纳米粒子的可控高效构筑提供了新思路。由于该合成方法的简便,经济以及普适性,使其在实际应用中具有重要价值。相关研究工作发表在近期出版的Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201601174)上。