近日，中国科学院大连化学物理研究所纳米与界面催化研究组（502组）包信和院士、杨帆研究员团队首次提出“动态尺寸效应”决定纳米粒子稳定机制，相关研究成果发表在Nature Communications上（DOI:10.1038/ncomms14459）。
传统认识中，纳米材料随尺寸减小、缺陷密度增高带来高反应活性，但也会随之牺牲长期的稳定性。关于纳米材料在气氛下或反应中的稳定性，尤其是对催化反应具有重要意义的5nm以下活性纳米结构，一直以来都缺乏在原子尺度上的微观机理研究。
该研究团队通过在Pt（111）表面构建不同尺寸、结构高度规整的FeO纳米结构并研究其深度氧化的动力学，发现直径3nm以下的FeO纳米粒子表现出更好的抗氧化能力。利用高分辨扫描隧道显微镜（STM）结合DFT理论计算，该团队首次发现了尺寸相关的纳米结构动态变化及其在纳米粒子氧化过程中的决定性作用。研究还发现，尺寸在3.2nm以下的FeO纳米粒子在边界的配位不饱和Fe2+解离O2的同时会发生整体的再构，使解离的氧原子稳定在边界而难以钻入FeO和Pt之间的界面，从而减缓了FeO的深度氧化过程。而对于尺寸在3.2nm以上的粒子，由于无法完成整体再构，形成表面位错且难以稳定边界氧原子，反而更容易被进一步氧化。也就是说，小纳米粒子在反应中更容易动态变化，达到相对稳定的结构构型，这种“动态尺寸效应”使小纳米粒子表现出了反常稳定性。此外，该研究团队还研究了负载在Pt（111）或Au（111）上的CoO纳米结构，也发现了类似的3nm以下粒子的抗氧化行为，说明这种动态尺寸效应对于负载型过渡金属氧化物纳米结构具有一定的普适性。该项研究不仅为纳米催化剂在气氛下的动态重构机制带来了原子级认识，也为发展抗腐蚀抗氧化纳米防护涂层提供了一种新的界面调控思路。
上述研究得到国家自然科学基金委、科技部、中科院、纳米科学卓越创新中心和教育部能源材料化学协同创新中心的资助。（文/图 刘云）
来源：中国科学院大连化学物理研究所
