貴金屬異相催化劑在化學、醫藥、石油、能源以及汽車等諸多領域有著舉足輕重的作用。近些年來，各個領域對于貴金屬的需求與日俱增，但由于貴金屬在地殼中的豐度極低，開發一種經濟實惠、可持續利用的貴金屬催化劑成了人類亟需解決的一大難題。以鉑為例，作為目前氧還原反應最重要的催化劑，鉑是質子交換膜燃料電池不可缺少的組成部分。一輛質子交換膜燃料電池汽車需要80克左右的鉑作為催化劑，其高昂的成本和其它差強人意的性能一直限制著質子交換膜燃料電池汽車的大規模商業化。

    針對這一難題，美國佐治亞理工學院的夏幼南教授發明了一種制備壁厚超薄、表面含孔、晶面可調的空心納米晶體的方法。因為納米顆粒在催化反應中的貢獻主要來自表面的原子，空心納米晶體可以避免內部原子的浪費，同時小孔可以暴露出納米晶體內表面，從而大大提高貴金屬原子的利用率。另一方面，相較于商用納米顆粒催化劑，空心納米晶體對尺寸沒有苛刻要求（可達30納米以上），使得對納米晶體的晶面控制得以實現，從而實現對催化反應的活性和選擇性的調控。

    目前，制備空心納米晶體的方法主要有兩種：置換反應法和晶種生長化學刻蝕兩步法。置換反應法主要是利用金屬模板和鉑金屬前驅體的電化學氧化還原電勢的差別，其優點是反應過程只包含一步，反應便捷而迅速。作為置換反應的一個缺點，所制備的空心納米晶體一般為模板金屬和鉑的合金，元素組成受到鉑離子和模板金屬被氧化成離子后的價態比的影響，難以調控。此外，置換反應制備的空心納米晶體表面一般比較粗糙，不易控制晶面。比如采用銀納米立方作為模板，與鉑二價前驅體進行置換反應，所得的鉑銀合金納米籠子不僅表面粗糙，且鉑銀比例難以調控。為解決這一難題，夏幼南教授課題組通過晶種生長法在預先制備好的鈀晶種上沉積一層超薄的鉑層，然后采用化學刻蝕的方法選擇性地去掉鈀晶種，從而制備出鉑空心納米籠子。盡管整個過程涉及到晶種生長和化學刻蝕兩個步驟，但該方法的優勢卻非常明顯。首先，相較于置換反應制備的空心納米晶體，晶種生長化學刻蝕兩步法制備的空心納米籠子的壁厚可調，甚至可以薄到幾個原子層的厚度。此外，該方法制備的空心納米籠子表面光滑，通過使用具有不同晶面的鈀晶種可以很方便地實現對鉑納米籠子晶面的調控，而且在化學刻蝕過程中產生的含孔表面會使得鉑納米籠子的內表面得到暴露，進一步提高了鉑原子的利用率。通過這種方法，夏幼南教授課題組制備了具有單晶結構的立方或八面體鉑納米籠子和具有多重孿晶結構的十面體及二十面體鉑納米籠子以及其他含有單孿晶或堆垛層錯的鉑空心納米晶體。這些納米籠子在作為氧還原反應的催化劑時，都表現出較商用鉑碳催化劑更優異的催化活性和穩定性。

    類似的方法也可以用來制備其他元素的空心納米晶體，例如金納米盒子和釕納米籠子。有趣的是，盡管在體相中釕原子以六方密堆積結構排列，但當采用具有面心立方結構的鈀晶種時，得到的釕納米籠子呈現面心立方結構，而且這種立方結構可以穩定到300°C。

    該綜述以貴金屬鉑為例，科學分析了提高鉑催化劑性能和利用率的可行性策略，發明了一種制備壁厚超薄、表面含孔以及晶面可控的鉑基空心納米晶體的方法，并評估了各種鉑基空心納米晶體作為氧還原反應催化劑的活性和穩定性。作者對于該方法論在其他貴金屬如金和釕中的應用也進行了全面的綜述和評論。

  相關論文“Hollow Metal Nanocrystals with Ultrathin, Porous Walls and Well-Controlled Surface Structures”在線發表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201801956）上。

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責任編輯：殷鵬飛

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