杨培东最新JACS：通过调控AuCu NPs原子序列的转变实现CO2选择性电催化还原

【引言】

复合金属纳米粒子（NPs）具备较宽的组分可调节范围，这使得其结构和性能也发生了相应的转变，因而在物理化学领域倍受关注。在复合金属NPs体系中，组分原子往往自由分散。除了简单调控各组分原子比外，当存在适当的热力学条件时，实现晶格中原子的精确定位也是极有可能的，这就导致了无序的合金相和有序的金属间化合物之间的结构差别，实现了无序-有序的转变。从原子层面实现复合金属NPs元素结构的精确控制，可以大大提升功能纳米材料的性能。最近大量有序金属间化合物的相关研究工作都集中于提升原始合金相的转换及其在磁学、催化等方面的应用，但关于如何合成有序的Au-Cu二元金属NPs并增强其性能的研究还不够深入。

【成果简介】

近日，美国加州大学伯克利分校杨培东教授（通讯作者）等人在JACS上发表了一篇名为“Electrochemical Activation of CO₂ through Atomic Ordering Transformations of AuCu Nanoparticles”的文章，研究人员通过系统控制原子的有序度实现了AuCu NPs对CO₂的选择性电催化还原，和无序的合金AuCu NPs相比，其CO₂还原效率可达80%，且所需过电势为~200mV，其催化活度提升了3.2倍，这一性能远远优于单一相的Au催化剂。此外， DFT模拟结果显示金属间化合物的Au核有三原子层厚时就足以有效提升其/AuCu NPs的催化活性。

【图文导读】

图一 AuCu二元NPs的原子有序化过程及其形貌结构分析

a) 不同反应条件下的AuCu二元NPs的TEM图像（标尺：20nm）；

b) AuCu二元NPs的XRD图谱；

c) 根据CO和H₂的感应电流，对AuCu二元NPs的CO₂电还原活性的评估。

图二 o-AuCu NPs的原子结构研究

a, b) 像差校正后的o-AuCu HAADF-STEM图像；

c, d) o-AuCu NPs的STEM中心放大图和结构推测图（黄色：Au原子；蓝色：Cu原子）；

e) 沿图a中黄色矩形区域所示粒子剖面的强度图谱（两强峰之间的距离与Au原子相匹配，指向高低峰的箭头分别表示Au原子和Cu原子）；

f) 沿图b中A, B箭头方向由内到外的平均强度图谱（A中所示的峰间距与已知的Au原子相匹配）。

图三 AuCu NPs的X-射线吸收图谱

a) Au L₃-吸收边的EXAFS图谱；

b) Cu K-吸收边的EXAFS图谱；

（橘色实线与o-AuCu NPs的结果相一致）。

图四 AuCu NPs对CO₂还原的电催化活性

a) 不同AuCu NPs的CO感应电流效率；

b) 不同AuCu NPs的CO局部电流密度；

c) 不同AuCu NPs的CO质量活度。

图五 AuCu NPs表面的理论计算结果

a) d-AuCu NP, o-AuCu NP, and Au NP的211晶面的上面和侧面模型；

b) 模拟体系中CO₂还原产H₂的诱发电位计算值；

c) 模拟体系中CO₂还原和产H₂的诱发电位的不同值。

【小结】

在二元金属体系的单个纳米粒子中，实现晶胞原子排列的精确调控，对诱导新的性能和理解结构起源来说是一种很有前景的方法。与仅利于产H₂的无序AuCu NPs相比，原子排列有序的AuCu NPs可增强其对CO₂还原的选择性催化及催化活性利用原子级结构探测技术，研究人员发现AuCu NPs原子排列有序性的转变使得金属间化合物的核被压缩成三原子层厚的Au叠层，而催化性能的提高则是纳米粒子原子序列结构转化的最直接体现。对多种复合金属体系而言，纳米材料从无序合金相到有序金属间化合物的相转变调控拥有很大的发展前景。

文献链接：Electrochemical Activation of CO2 through Atomic Ordering Transformations of AuCu Nanoparticles (JACS, 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b03516)

本文由材料人编辑部朱喜月编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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