Small:氧化硅纳米棒的闪速固-固燃烧合成

以地球储量较为丰富硅为基础的一维材料,如硅纳米棒和纳米线等,由于其在光学、电学器件,以及近年来逐渐火热的催化方向展现了优良特性而引起了研究人员的极大关注,然而通常合成一维硅材料需要在较高的温度和精确的压力控制下进行。目前,经典的硅纳米棒生长理论包括蒸汽-液体-固体(VLS)、蒸汽-固体-固体(VSS)和固体-液体-固体(SLS)机制。由于硅纳米棒的广泛应用,因而研发一种快速且绿色的合成方法对其大规模生成尤其重要。

太原理工大学化学化工学院闫晓亮副教授(李瑞丰团队)和浙江大学硅材料国家重点实验室孙威研究员(杨德仁团队)与多伦多大学Geoffrey Ozin课题组,利用浸渍混合干燥后的固体硝酸镍或硝酸钴和固体硅氧烯(Si-H)通过燃烧法快速合成了硅纳米棒;南方科技大学物理系王戊博士(何佳清团队)借助先进的电镜分析手段对其结构进行了详尽的分析,提出了硅纳米棒的快速固体-固体(FSS)的合成路径。相关结果发表在Small(10.1002/smll.202001435)上。

将硝酸镍或硝酸钴的乙醇溶液浸渍在硅烯(Si-H)材料上,并在真空条件下进行干燥,乙醇溶液能够有效地避免了硅烯中Si-H的水解,使更多的活泼Si-H参与到与硝酸盐的反应中。通过摩擦产生热量引发两个固体间的快速燃烧反应,借助先进的电镜技术(Electron Tomography, MSA, EELS等)和XAS表征系统分析了纳米硅棒的形貌结构,表/界面组成信息,反应过程中NixSiy催化剂的结构特征等。闪速燃烧过程首先伴随着硝酸镍分解的NiO,被Si-H还原为Ni,硅烯中硅原子与Ni的结合得到了NixSiy催化剂,以其为活性中心得到了硅纳米棒,并且提出了快速合成硅纳米棒的FSS生长机制:表面上类似SLS机制以固体为硅源,然而实际上展现了类似VLS的以金属为最前端进行生长的机制。本工作方法简单、绿色,可以为大规模且高效制备一维硅材料开辟一条新的路径,有望应用于光热催化、能源等研究方向。