2023年7月26-28日，Green Carbon首届编委会暨2023国际绿碳科学大会在青岛召开。Green Carbon顾问委员会委员、美国佐治亚理工学院夏幼南教授应邀出席并做题为“面向‘绿碳’的先进催化纳米材料”的主旨报告。
面向“绿碳”的先进催化纳米材料
具有控制良好的尺寸、形状、组成和内部结构的胶体金属纳米晶体的成功合成为调控其物理化学性质和优化其在各个应用领域中的性能提供了众多机会。特别是，由于纳米晶体表面的原子结构最终由其几何形状决定，催化和表面科学极大地受益于具有可控形状的纳米晶体。其直接优势包括增强催化活性和/或选择性、大幅降低材料成本、同时提供了明确定义的模型系统用于机理研究等。在报告中，夏幼南教授介绍了他课题组在针对电催化和燃料电池应用的各种类型纳米晶体的理性设计和控制合成方面的最新进展。
贵金属催化剂面临成本与可持续的问题贵金属材料具有高活性、高选择性、长寿命和可回收性等优点，是工业金属催化剂的重要组成部分。然而，商业催化剂存在颗粒尺寸不均一，未控制形貌的问题，因此必须在载体上负载大量的金属颗粒以实现相同的催化水平。但对于大多数贵金属，它们的蕴藏量一般较低，这导致了成本和可持续利用的问题。
组分、尺寸和形貌调控
可通过优化催化剂组分、尺寸和形貌以对其性能进行改进。催化剂组分会影响反应中间体形成、反应路径以及反应能垒，从而影响催化活性和选择性。例如，与商业Pt/C相比，Pt2.6Ni组分可将活性提高到原来数十倍。催化剂的尺寸和形貌决定着表面原子的配位环境，进而影响反应物种的吸附/活化。
控制金属纳米晶体形貌的典型过程是，金属盐前驱体通过还原得到原子，当金属原子浓度达到一定的程度时（过饱和）便会形成晶核，从而获得不同形状结构的“种子”，继续生长后获得不同形貌的纳米晶体。此外可以通过控制溶液中化学试剂的添加量来稳定晶体的表面结构，从而通过控制晶面的生长以进行形貌控制。对于合成的“种子”，可进一步用于其他金属原子沉积生长，得到多种元素组成和独特形貌结构的纳米晶体。
晶种生长法精准合成纳米核壳材料
纳米晶体的最终形貌是由沉积速率与表面扩散速率的相对大小来决定的。以立方晶体为例，假设原子沉积首先发生在顶角上，随后经历表面原子扩散的过程。当沉积速率远大于扩散速率时，原子会在立方体的顶角上堆积；当沉积速率略大于扩散速率时，顶角上的原子层厚度会略大于表面原子层；当沉积速率略小于扩散速率时，会在立方晶面和顶角上形成均匀的原子层（均一的核壳结构）；而当沉积速率远小于扩散速率时，原子将集中堆积在立方晶体的表面上。以不同形貌的“种子”为起始点，通过控制沉积速率和扩散速率，便可以实现各种形貌的核壳材料制备，进而获得优异性能的催化剂。
纳米笼精准合成，实现超高原子利用率
在以“种子”为基础，通过沉积-扩散的方法合成核壳材料的过程中，内部原子会与外层原子发生混合，这是由于在较高温度下原子的扩散行为。在此基础上，可通过添加刻蚀剂对内部原子进行刻蚀从而最终形成中空的纳米笼结构。这些纳米笼的壁厚非常薄（仅为1 nm左右），实现了极高的原子利用率，进而显著提升了催化性能。
本报告为开发成本效益高、可持续的催化纳米材料提供了动力和路线图，为实现绿色、可持续发展的人类社会奠定基础。
夏幼南 教授
夏幼南教授，Green Carbon顾问委员会委员，现为佐治亚理工学院生物工程系和化学与生物化学系Brock Family Chair及Georgia Research Alliance杰出学者。他获得了许多奖项，包括ACS创意发明奖（2023年），MRS 奖章（2017年），ACS材料化学奖（2013年），NIH主任先锋奖（2006年）和NSF CAREER（2000年）。夏幼南教授主要从事纳米结构材料的研究，涵盖了其在光学、电子、显示器、催化、能量转换、纳米医药和再生医学中的相关的应用中。例如，夏幼南教授发明的银纳米线技术已经商业化，用于制造柔性、透明和导电涂层，应用于触摸屏显示器、柔性电子和光伏等领域。夏幼南教授已在Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., JACS和Angew. Chem. Int. Ed.等国际顶尖期刊发表学术论文800余篇，总被引用次数超过18.5万次，h指数为213，入选世界十大化学家和材料科学家（基于每篇论文的引用次数）。
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夏幼南教授与Green Carbon | 面向“绿碳”的先进催化纳米材料
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