核壳结构双金属纳米粒子的研究与应用
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Key words core2shell; bimetallic; nanoparticles; catalysis
Con ten ts
1 Introduction 1. 1 Core2shell structure nanomaterials 1. 2 B imetallic nanoparticles
双金属纳米粒子 ( bimetallic nanoparticles)也称 为“纳米合金 ”( nanoalloy) 。通常情况下 ,由于协同 效应的存在以及组分 、结构 、属性上极大的可变性 , 合金化 ( alloying)明显提升了金属的某些特定性能 , 使其在电子 、工程及催化等领域有广泛的应用 。
W ang R u i Z i X uehong L iu L icheng D a i Hongx ing He Hong3 3 (Department of Chem istry and Chem ical Engineering, College of Environmental and Energy Engineering,
物理性质正是人们的兴趣所在 。纳米合金在特殊的 尺寸或组成下 (magic size, magic composition)会表 现出特定的稳定性 ,而纳米合金的表面结构 、表面组 成和聚集特性在决定其化学反应性尤其是催化活性 上尤为重要 [ 12 ] 。 11212 纳米合金的异性 ( isomerism )
(863)项目 (No. 2009AA063201)资助 3 3 Corresponding author e2mail: hehong@ bjut. edu. cn
第 2 /3期
王 锐等 核壳结构双金属纳米粒子的研究与应用
·3 59·
4 P ro sp ec ts
1 引言
111 核壳结构纳米材料 核壳结构纳米材料 ( core2shell nanomaterials)是
Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
Abstract B imetallic NPs w ith core2shell structure have aroused general concern because of their unique atom arrangem ent and extraordinary p roperties, therefore show s great app lication potentials, especially in the field of catalysis. W e have reviewed the researches on synthesis and app lication of nanoalloys and bimetallic NPs w ith core2 shell structure reported in recent years. In the first, basic concep ts and structures of nanoalloys are introduced, then according to different strategies of form ing core2shell structure, two main p reparation methods are illustrated, namely successive reduction and co2reduction, which also includes different system s like aqueous, polyol, surface rep lacement, dendrimer comp lexing and ep itaxial grow th. Finally, the research p rogresses and p rospects of core2 shell nanoalloys in catalysis are contemp lated. The p roblem s to be solved and future development are also de sc ribed.
如图 2所示 ,连续还原过程是 :先将一种金属盐 还原来形成“晶种 ”M1 (也就是核 ) ,再利用一个类 似于“晶种生长 ”的过程 ,使另一种金属 M2 的原子 沉积附着在已形成的 M1 金属晶种表面 ,从而形成 M1@M2核壳结构 。因为连续经历两次还原过程 , 故称为“连续还原法 ”(也称为“晶种生长过程 ”, seed2mediated grow th) ,属于典型的先成核 ,后包覆 壳的策略 。近几年来 ,连续还原法被广泛用于合成 各种核壳结构的双金属纳米材料 [ 19—29 ] 。
摘 要 核壳结构双金属纳米粒子因其特殊的原子排列方式和不同寻常的优异性能引起了普遍关注 , 在各种应用尤其是催化领域展示出巨大的潜力 。本文综述了近年来有关核壳结构双金属纳米粒子合成与应 用方面的研究结果 。首先介绍了纳米合金的基本概念和主要结构 ,然后依照构造核壳结构的不同策略 ,分别 介绍了核壳结构纳米合金的两种主要制备方法 ,即连续还原法和共还原法 ,其中又包括水相体系 、多元醇体 系 、表面取代 、Dendrimer络合 、外延生长等不同合成体系 。最后阐述了核壳结构纳米合金在催化领域的研究 进展和应用前景 ,指出了未来研究亟待解决的问题和发展方向 。
2 Preparation methods 2. 1 Successive reduction 2. 2 Co2reduction 2. 3 O ther assisting methods 3 App lication
收稿 : 2009年 3月 , 收修改稿 : 2009年 5月 3 国家自然科学基金项目 (No. 20877006, 20833011) 、北京市自然科学基金重点项目 (No. 3061001)和国家高技术发展计划
从单金属粒子到双金属纳米合金 ,不同类型原 子的存在导致体系的复杂程度大大增加 。由于几何 结构 (或骨架结构 )相异或者不同原子的排列置换 方式不同而形成了各种异构体 ( isomers) 。以 Am Bn 表示二元纳米合金 , Jelli ( n +m ) 、原子组成 ( n /m )以 及几何结构都相同 ,但是 A 原子和 B 原子排列方式 不同的各种异构体 。除了几何异构体 ( geometrical i2 som ers)和 homotop s, Johnston[ 15 ] 和 B elchior等 [ 16 ] 引 入术语“composomers”来代指组分异构体 ( composi2 tional isom ers) ,即原子总数 ( n +m )和几何结构相同 而原子组成 ( n /m )不同的纳米合金粒子 。 11213 原子排列方式 (m ixing patterns)
目前 ,核壳结构纳米材料的研究是一个热点 ,具 备核壳结构的金属 @金属 、金属 @无机物 [ 2—5 ] 、无机 物 @无机物 [ 6, 7 ] 、金属 @聚合 物 [ 8—10 ] 、金属 @半 导 体 [ 11 ]等复合纳米材料已见诸文献报道 。其中 ,金属 @金属 (即核壳双金属 )纳米材料因巨大的催化应 用潜力而受到催化学者的广泛关注 。 112 双金属纳米粒子 11211 基本概念
第 22 卷 第 2 /3 期 2010年 3 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEM ISTRY
Vol. 22 No. 2 /3 M ar. , 2010
核壳结构双金属纳米粒子的研究与应用 3
王 锐 訾学红 刘立成 戴洪兴 何 洪 3 3
(北京工业大学环境与能源工程学院化学化工系 北京 100124)
同宏观块体金属 ( bulk metal)相似 ,纳米合金的 组成也可以在很大范围内变化 。合成双金属纳米合 金 (Am Bn )时可在一定程度上控制其尺寸 (m + n)和 组成 (m / n) 。粒子的结构和 A 2B 原子的分离 /混合 程度则取决于粒子的合成方法和条件 (原料类型 、 温度 、压力等 ) 。纳米合金可以在许多媒介中形成 , 例如在团簇束 ( cluster beam s) 、胶体溶液 ( colloidal solution) 、材料表面上或者孔道中 。通过改变纳米 合金的组成 、原子排列和尺寸来实现调节其化学与
2 制备方法
简单地说 ,构造核壳结构的策略有两种 :一种是 先成核 ,后包覆壳 ;另一种是一次性形成核壳结构 。 与以上合成策略相对应的是两种常用的纳米合金的 合成方法 : 连续还原法 ( successive reduction) ,共还 原法 ( co2reduction) ,这两种方法都可以合成核壳结
图 1 混合模式示意图 (不同原子簇的截面图 ) : ( a)核 壳式 , ( b)亚簇聚集式 , ( c)混合式 , ( d)三层式 [12 ] F ig. 1 Schematic rep resentation of some possible m ixing patterns: ( a ) core2shell, ( b ) subcluster segregated, ( c ) m ixed, ( d) three shell. The p ictures show cross sections of the clusters[12 ]
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化 学 进 展
第 22卷
构的双金属纳米粒子 。 许多单金属纳米粒子的制备过程被借鉴来用于
合成双金属纳米材料 ,如经典的制备纳米金的 Turkevich法 [ 17 ]和 Frens法 [ 18 ] ,制备贵金属 ( Pt、Pd、 Rh)纳米粒子的 polyol法等 。 211 连续还原法 ( successive reduction)
关键词 核壳 双金属 纳米粒子 催化 中图分类号 : O614; O61114 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X (2010) 02 /320358209
Con ten ts
1 Introduction 1. 1 Core2shell structure nanomaterials 1. 2 B imetallic nanoparticles
双金属纳米粒子 ( bimetallic nanoparticles)也称 为“纳米合金 ”( nanoalloy) 。通常情况下 ,由于协同 效应的存在以及组分 、结构 、属性上极大的可变性 , 合金化 ( alloying)明显提升了金属的某些特定性能 , 使其在电子 、工程及催化等领域有广泛的应用 。
W ang R u i Z i X uehong L iu L icheng D a i Hongx ing He Hong3 3 (Department of Chem istry and Chem ical Engineering, College of Environmental and Energy Engineering,
物理性质正是人们的兴趣所在 。纳米合金在特殊的 尺寸或组成下 (magic size, magic composition)会表 现出特定的稳定性 ,而纳米合金的表面结构 、表面组 成和聚集特性在决定其化学反应性尤其是催化活性 上尤为重要 [ 12 ] 。 11212 纳米合金的异性 ( isomerism )
(863)项目 (No. 2009AA063201)资助 3 3 Corresponding author e2mail: hehong@ bjut. edu. cn
第 2 /3期
王 锐等 核壳结构双金属纳米粒子的研究与应用
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4 P ro sp ec ts
1 引言
111 核壳结构纳米材料 核壳结构纳米材料 ( core2shell nanomaterials)是
Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
Abstract B imetallic NPs w ith core2shell structure have aroused general concern because of their unique atom arrangem ent and extraordinary p roperties, therefore show s great app lication potentials, especially in the field of catalysis. W e have reviewed the researches on synthesis and app lication of nanoalloys and bimetallic NPs w ith core2 shell structure reported in recent years. In the first, basic concep ts and structures of nanoalloys are introduced, then according to different strategies of form ing core2shell structure, two main p reparation methods are illustrated, namely successive reduction and co2reduction, which also includes different system s like aqueous, polyol, surface rep lacement, dendrimer comp lexing and ep itaxial grow th. Finally, the research p rogresses and p rospects of core2 shell nanoalloys in catalysis are contemp lated. The p roblem s to be solved and future development are also de sc ribed.
如图 2所示 ,连续还原过程是 :先将一种金属盐 还原来形成“晶种 ”M1 (也就是核 ) ,再利用一个类 似于“晶种生长 ”的过程 ,使另一种金属 M2 的原子 沉积附着在已形成的 M1 金属晶种表面 ,从而形成 M1@M2核壳结构 。因为连续经历两次还原过程 , 故称为“连续还原法 ”(也称为“晶种生长过程 ”, seed2mediated grow th) ,属于典型的先成核 ,后包覆 壳的策略 。近几年来 ,连续还原法被广泛用于合成 各种核壳结构的双金属纳米材料 [ 19—29 ] 。
摘 要 核壳结构双金属纳米粒子因其特殊的原子排列方式和不同寻常的优异性能引起了普遍关注 , 在各种应用尤其是催化领域展示出巨大的潜力 。本文综述了近年来有关核壳结构双金属纳米粒子合成与应 用方面的研究结果 。首先介绍了纳米合金的基本概念和主要结构 ,然后依照构造核壳结构的不同策略 ,分别 介绍了核壳结构纳米合金的两种主要制备方法 ,即连续还原法和共还原法 ,其中又包括水相体系 、多元醇体 系 、表面取代 、Dendrimer络合 、外延生长等不同合成体系 。最后阐述了核壳结构纳米合金在催化领域的研究 进展和应用前景 ,指出了未来研究亟待解决的问题和发展方向 。
2 Preparation methods 2. 1 Successive reduction 2. 2 Co2reduction 2. 3 O ther assisting methods 3 App lication
收稿 : 2009年 3月 , 收修改稿 : 2009年 5月 3 国家自然科学基金项目 (No. 20877006, 20833011) 、北京市自然科学基金重点项目 (No. 3061001)和国家高技术发展计划
从单金属粒子到双金属纳米合金 ,不同类型原 子的存在导致体系的复杂程度大大增加 。由于几何 结构 (或骨架结构 )相异或者不同原子的排列置换 方式不同而形成了各种异构体 ( isomers) 。以 Am Bn 表示二元纳米合金 , Jelli ( n +m ) 、原子组成 ( n /m )以 及几何结构都相同 ,但是 A 原子和 B 原子排列方式 不同的各种异构体 。除了几何异构体 ( geometrical i2 som ers)和 homotop s, Johnston[ 15 ] 和 B elchior等 [ 16 ] 引 入术语“composomers”来代指组分异构体 ( composi2 tional isom ers) ,即原子总数 ( n +m )和几何结构相同 而原子组成 ( n /m )不同的纳米合金粒子 。 11213 原子排列方式 (m ixing patterns)
目前 ,核壳结构纳米材料的研究是一个热点 ,具 备核壳结构的金属 @金属 、金属 @无机物 [ 2—5 ] 、无机 物 @无机物 [ 6, 7 ] 、金属 @聚合 物 [ 8—10 ] 、金属 @半 导 体 [ 11 ]等复合纳米材料已见诸文献报道 。其中 ,金属 @金属 (即核壳双金属 )纳米材料因巨大的催化应 用潜力而受到催化学者的广泛关注 。 112 双金属纳米粒子 11211 基本概念
第 22 卷 第 2 /3 期 2010年 3 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEM ISTRY
Vol. 22 No. 2 /3 M ar. , 2010
核壳结构双金属纳米粒子的研究与应用 3
王 锐 訾学红 刘立成 戴洪兴 何 洪 3 3
(北京工业大学环境与能源工程学院化学化工系 北京 100124)
同宏观块体金属 ( bulk metal)相似 ,纳米合金的 组成也可以在很大范围内变化 。合成双金属纳米合 金 (Am Bn )时可在一定程度上控制其尺寸 (m + n)和 组成 (m / n) 。粒子的结构和 A 2B 原子的分离 /混合 程度则取决于粒子的合成方法和条件 (原料类型 、 温度 、压力等 ) 。纳米合金可以在许多媒介中形成 , 例如在团簇束 ( cluster beam s) 、胶体溶液 ( colloidal solution) 、材料表面上或者孔道中 。通过改变纳米 合金的组成 、原子排列和尺寸来实现调节其化学与
2 制备方法
简单地说 ,构造核壳结构的策略有两种 :一种是 先成核 ,后包覆壳 ;另一种是一次性形成核壳结构 。 与以上合成策略相对应的是两种常用的纳米合金的 合成方法 : 连续还原法 ( successive reduction) ,共还 原法 ( co2reduction) ,这两种方法都可以合成核壳结
图 1 混合模式示意图 (不同原子簇的截面图 ) : ( a)核 壳式 , ( b)亚簇聚集式 , ( c)混合式 , ( d)三层式 [12 ] F ig. 1 Schematic rep resentation of some possible m ixing patterns: ( a ) core2shell, ( b ) subcluster segregated, ( c ) m ixed, ( d) three shell. The p ictures show cross sections of the clusters[12 ]
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第 22卷
构的双金属纳米粒子 。 许多单金属纳米粒子的制备过程被借鉴来用于
合成双金属纳米材料 ,如经典的制备纳米金的 Turkevich法 [ 17 ]和 Frens法 [ 18 ] ,制备贵金属 ( Pt、Pd、 Rh)纳米粒子的 polyol法等 。 211 连续还原法 ( successive reduction)
关键词 核壳 双金属 纳米粒子 催化 中图分类号 : O614; O61114 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X (2010) 02 /320358209
