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理学院郑智平团队在稀土纳米材料功能化方向取得系列研究成果

近期,南方科技大学理学院化学系讲席教授郑智平团队在稀土纳米材料功能化方向取得系列研究成果,先后在CCS Chemistry、Nano ResearchSmall等国际著名一区期刊上发表相关论文。


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第一篇论文围绕稀土纳米材料的生物医学应用开展(图1)。该团队报道合成了一种新型的稀土-高分子杂化材料,通过将镧系羟基碳酸盐纳米线(LHNW)掺杂到经典的具有生物相容性的聚(柠檬酸盐-硅氧烷)(PCS)中制备得到PCS-LHNW杂化弹性材料。无机纳米线的掺杂使得杂化物与聚合物基体具有良好的相容性,产生具有高弹性和高拉伸强度的杂化材料。含有Eu(III)和Gd(III)的杂化材料显示其各自的发光和磁性性质,利于在生物体内使用时监测此类杂化材料的状态。此外,这类杂化材料没有发生明显的降解且具有良好的生物相容性,为设计开发新的杂化弹性材料提供了思路和指导。该成果以论文形式发表在CCS Chemistry上,论文题目为“Hybrid Bioelastomer Reinforced byUltrathin Nanowires of LanthanideHydroxycarbonates for PromisingBiomedical Applications”,南科大化学系研究助理教授张新瑜为该论文第一作者,通讯作者为西安交通大学教授雷波,南开大学教授杜亚平和郑智平。


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图1 稀土羟基碳酸盐纳米带的制备及生物医学研究


第二篇论文围绕稀土纳米材料的能源催化研究开展(图2)。过渡金属催化剂由于其自身结构中可调的氧化态和氧配位环境,可以调节OH-的吸附,利于在析氧反应中活性位点处含氧中间体(M-OH、M-O和M-OOH)的形成。然而,中间体在转化过程反应能垒较高且易堆积,导致了催化效率低下。引入异质元素或异质结构设计对其进行修饰被认为是行之有效的解决方案,其中以稀土Ce基材料(Ce离子, CeO2,CeOx)的修饰最为突出。该综述文章整理了现有析氧反应所涉及到的Ce基材料作为助催化剂的基本类型和作用方式:(1)加快电子传输(2)调控活性位点(3)增加氧空穴(4)增加结构稳定性。同时,提出了该领域目前存在的挑战:(1)Ce基材料的催化机理的明确阐述,尤其是中间体的生成转化的机理阐述,(2)性能和商业化催化剂间的性能差距,(3)在其它涉氧多相催化体系中的研究价值亟待开发。该成果以论文的形式发表在CCS Chemistry上,论文题目为“A Review of Transition Metal Oxygen-Evolving Catalysts Decorated by Cerium-Based Materials(CeBM): Current Status and Future Prospects”。该论文第一作者为郑智平团队博士生李岩岩,通讯作者为张新瑜和郑智平。南科大是论文第一单位。


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图2 稀土Ce基材料修饰过渡金属催化剂的研究现状和前景展望


第三篇论文继续围绕稀土CeO2纳米材料的能源催化开展研究(图3)。目前关于CeO2助催化效应的讨论主要是基于对其氧化还原性质和氧空位存在的一般理解,缺乏原子层面CeO2修饰后的异质界面发生的电荷传递与转移机理的“可视化”直接证据。基于此,该团队通过静电相互作用将CeO2纳米颗粒(~ 5nm)与蒲公英状双金属FeCo LDH进行复合形成CeO2-FeCo LDH异质结构,借助球差电镜对CeO2与FeCo LDH的异质界面进行原子级表征,证实CeO2/FeCo LDH异质界面的形成,并对CeO2负载前后催化剂的电催化性能进行评估,证实了CeO2优异的助催化功能。为了揭示这一构效关系,本工作利用球差电镜和电子能量损失谱(EELS)相结合的手段,第一次从原子层面揭示了CeO2修饰后的异质界面发生的电荷传递与转移机理。CeO2的存在使得金属位点发生了明显的氧化,产生出更高价态的Co3+阳离子,增加了位点的路易斯酸性,加快了反应决速步中间体的生成与转化,同时,对应的原位拉曼检测出低电压下对应的中间体Co-OOH生成信号,清晰明确的证实了这一过程中CeO2的助催化作用。该成果以论文形式发表在Nano Research上,论文题目为“Atomic-Level Correlation between the Electrochemical Performance of an Oxygen-Evolving Catalyst and the Effects of CeO2Functionalization”。论文第一作者为郑智平团队博士生李岩岩和材料科学与工程系博士生罗文,通讯作者为张新瑜,材料科学与工程系教授卢周广和郑智平。南科大是论文第一单位。

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图3 原子层面析氧催化剂的电化学性能与CeO2功能化的相关性研究


此外,在稀土纳米材料功能化研究同时课题组还开展了单原子材料的能源催化研究(图4)。在初级结构中,单原子催化剂由于其最大的原子利用率和活性位点的电子结构的微调,表现出比团簇和纳米颗粒更好的性能。多级结构近年来得到了广泛的研究,因为其活性位点的增加和孔道的有序性大大提高了催化性能,特别是在纳米颗粒中,但不同尺寸效应的催化剂研究尚未见报道。在此,我们采用一种独特的中空双壳结构作为多级结构模型,研究单原子、簇和纳米颗粒之间可能存在的结构性能差异,并建立相应的结构-性能构效关系。该成果以论文的形式发表在Small上,论文题目为“Study on the Structure-Activity Relationship between Single-atom, Cluster and Nanoparticle Catalysts in a Hierarchical Structure for Oxygen Reduction Reaction”。该论文第一作者为郑智平团队博士生李岩岩和南京师范大学博士生朱晓蓉,通讯作者为张新瑜、南京师范大学教授李亚飞和郑智平。南科大是论文第一单位。

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图4 尺寸效应在多级结构体系中的催化应用研究


郑智平长期致力于稀土元素功能材料的设计与应用研究。入职南科大以来,团队在原有分子基稀土团簇材料研究的基础上,开展了与能源催化相关的稀土功能材料的研究,主要着眼于纳米尺度稀土基催化剂的化学结构和几何结构设计,电催化全解水析氢产氧反应以及相应的催化机理研究。

以上研究得到了国家自然科学基金委、教育部能源重点实验室、深圳市诺贝尔奖科学家实验室项目、广东省催化重点实验室、广东省电驱动力能源材料重点实验室、留深博士后科研基金等基金项目的支持,同时感谢南方科技大学分析测试中心为课题组项目研究提供的大力支持。

 

论文链接:

1、    https://dor.org/10.31635/ccschem.021.202000631 

2、    https://dor.org/10.31635/ccschem.021.202101194 

3、    https://doi.org/10.1007/s12274-021-3931-9 

4、    https://doi.org/10.1002/small.202105487 

 

 


供稿:化学系

通讯员:吴笑弟

主图:丘妍