Small:表面活性剂诱导的锰钴普鲁士蓝类似物的晶体结构及其形貌转变

在纳米材料科学领域,精确控制纳米颗粒的晶体结构和形貌仍然是一个重大的挑战。科学家们利用分子间以及原子间的相互作用力,采取多样的合成策略,如自组装、自上而下、自下而上、模板法等,方便地构建了复杂而精细的纳米结构,从而实现了对纳米材料精确控制。众所周知,化学反应主要受动力学和热力学两方面的控制,然而反应过程中多组分相互作用,使得反应结果难于预测。因此,开发新的合成策略来设计和精确控制纳米材料的晶体结构及其形貌是至关重要的。

温州大学化学与材料工程学院钱金杰课题组设计和合成了锰钴普鲁士蓝类似物(MnCoPBA)纳米晶在表面活性剂作用下随时间呈现出不同的形态。MnCoPBA可由实心截面球体PBA-I逐步转变为空心面开放的立方结构PBA-IV。MnCoPBA因其(111)面的表面能高于(100)面,反应过程中离子倾向于吸附在(111)面上,导致更快的生长速率。反应开始时,晶体的形貌主要受动力学控制,晶体沿(111)面的生长速度快,从而形成实心截面球体PBA-I。随着反应的进行,十二烷基硫酸钠倾向于吸附在高活性的(111)面上,从而降低了表面能,并抑制它的快速分解。与此同时,我们观察到了PBA外壳处在热力学上更稳定的(100)面的外延生长,而最开始生成的晶核由于其不稳定性会溶解,最终得到空心面开放的立方PBA-IV。最后通过热解,可以将不同形貌的MnCoPBA纳米晶转化为相应的碳复合材料。其中,PBA-III-700具有独特的空腔结构,有利于离子扩散,并暴露丰富的活性位点。因此,在这系列材料中表现出最好的电催化氧还原性能,且基于PBA-III-700的锌空气电池性能接近商业化的Pt/C材料。

此项研究使我们更加关注纳米材料的微观结构与性能之间的关系,并对晶体的生长和设计有一定的启示。相关工作以“Surfactant-Mediated Morphological Evolution of MnCo Prussian Blue Structures”为题,在线发表于Small (DOI: 10.1002/smll.202004614),文章第一作者为温州大学钱金杰副教授课题组硕士研究生王贤,本科生董桉瑞为共同一作。