西北大学博后合成中空纳米颗粒，可用于电池材料和水处理催化剂

　　“我们使用高通量方法合成了形貌各异的中空纳米颗粒。该方法具有的强大合成能力允许一次实验中合成出百万个具有不同参数的材料，借此构建了‘纳米材料巨型数据库’（Nanoparticle megalibraries），并被国际纯粹与应用化学联合会评为 2022 年‘化学领域十大新兴技术’之一。而本次工作正是‘纳米材料巨型数据库’的重要组成部分。”目前正在美国西北大学做博后研究的沈渤这样总结自己的新成果。

　　

　　图 | 沈渤（来源：沈渤）

　　

　　师从五院院士，专攻高通量合成纳米材料

　　沈渤本科和博士先后就读于南开大学和美国布朗大学，当下在美国西北大学国际纳米中心做博后研究，在这里他的合作导师是五院院士查德·米尔金教授（Chad A. Mirkin）。沈渤目前专注于运用高通量合成以及机器学习方法快速筛选高性能材料。

　　在上述研究里，沈渤引入了一种高效的纳米中空颗粒合成方法，通过扫描探针嵌段共聚物纳米印刷技术（scanning probe block copolymer lithography, SPBCL），成功合成了具有不同尺寸和化学组成的多金属纳米颗粒。并利用金属和硫单质反应时的可肯达尔效应（Kirkendall effect），在接下来的硫化反应中成功实现了纳米颗粒中空结构的调控，例如：单壳层结构、多壳层结构、蛋黄壳（yolk-shell）结构和异质壳结构。该研究为金属硫族化合物材料的优化提供了新的设计思路，并为其在能源和催化领域的更广泛应用奠定了坚实的基础。预计这类材料有两方面潜在的应用：

　　（1）在能源方面，可用作电池电极材料，提高电极的能量密度；也可以作为催化剂促进水解反应产生氢气，以推动新能源的开发。这将有助于减少化石燃料的使用和碳排放，进一步推动双碳目标的实现。

　　（2）在环境方面，可以作为水处理催化剂，降解水中的污染物。其中空结构能够提供更高的活性表面积和更好的负载能力，从而提高催化剂的效率和寿命。

　　日前，相关论文以《多组分空心金属硫族化物纳米粒子的形态工程》（Morphology Engineering in Multicomponent Hollow Metal Chalcogenide Nanoparticles）为题发在 ACS Nano 上，沈渤是第一作者，查德·米尔金教授担任通讯作者 [1]。

　　

　　图 | 相关论文（来源：ACS Nano）

　　审稿人评价称：“该论文报道了在 SPBCL 技术的帮助下合成了多组分空心金属硫系纳米颗粒。作者以 Cu-Ni-Co 的多金属组分为模型体系，对多金属硫化物空心纳米颗粒的形成机理进行了深入的研究，并在此基础上建立了金属离子扩散动力学与空心结构之间的相关性来描述 Kirkendall 效应。更重要的是，这种 SPBCL 能够提供一个高效的平台来构建大量的纳米颗粒，并实现对其化学组成和尺寸进行精确的控制，为可程式化设计和发现功能性多组分空心纳米颗粒提供了广阔的空间。”

　　另外，如何在纳米材料巨型数据库中高效筛选出具有优良性能的材料，是课题组的下一个目标。“我们初步打算在众多的中空纳米颗粒数据库中筛选出具有最优性能的光催化产氢的材料，希望能进一步推进非贵金属催化剂产氢这一领域的发展。”沈渤说。

　　

　　引入高效合成纳米中空颗粒的方法，成功实现形貌的控制

　　金属硫化物材料在催化和能源方面有着广泛应用。中空纳米颗粒，可以最大化将这些材料的表面积和负载能力，从而进一步优化其性能。在这类中空纳米材料中，化学组成、元素分布和形貌结构等参数显著影响材料的性能。

　　目前，大部分中空纳米颗粒都是由硬模板辅助方法得到，然而这种方法主要局限于只能合成由一种阳离子和一种阴离子组成的单组分纳米材料。相比于单组分纳米材料，多组分金属硫化物中空纳米颗粒由于其不同组分之间的协同作用，通常表现出更优异的性能。然而，合成多组分金属硫化物中空纳米颗粒仍然存在很大的困难，这限制了其广泛应用。因此，沈渤等人进行了本项研究。

　　在研究中，他和同事首先确定了金属硫化物材料的广泛应用以及多组分中空纳米颗粒形貌控制的重要性。然后选择了一种新的合成方法——扫描探针嵌段共聚物纳米印刷技术（SPBCL）来高通量合成多金属纳米颗粒，经硫化后形成多组分中空纳米颗粒。高通量合成的方法可以使他们更方便、快捷、有效地获得大量实验结果。

　　接下来，他们进行了材料制备，主要包括制备多金属纳米颗粒、控制金属颗粒的尺寸和化学组成、以及控制硫化过程中的反应温度等步骤。此外，他们对多金属硫化物中空纳米颗粒的形貌进行调控与表征，包括单壳层结构、多壳层结构、蛋黄壳结构、异质壳结构等。随后沈渤和同事利用理论计算，模拟了中空结构在不同反应温度下的形貌的互相转变，并测试了不同形貌的中空多金属硫化物纳米颗粒在催化方面的性能。

　　像其他科研工作一样，本工作也经历了一些挑战和困难。在此期间，他们遭遇到最大的问题是如何高效准确地制备多组分纳米颗粒。为了达成这个目标，他们尝试了多种方法，例如溶液相反应和固相反应等，但是这些传统的试错法很低效，而且难以控制纳米颗粒的尺寸和化学组成。最终，该团队找到了一种高通量的制备方法，即扫描探针嵌段共聚物纳米印刷技术（SPBCL）。

　　另外，课题组在合成过程中发现了一些意料之外的结果。例如，在硫化 Co-Cu 异质结构纳米颗粒中，他们发现当硫化温度位达到 350 摄氏度时，原本不相溶的 Co 和 Cu 形成了固熔体。通过理论计算模拟，该团队发现，CuS 在 CoS2 中的溶解度随着温度升高而增加，解释了固熔体形成的现象。这些发现使得他们更加深入了解了如何调控中空纳米颗粒的形貌。

　　

　　（来源：ACS Nano）

　　对于团队合作，沈渤也有了更深刻的认识。本工作是一个交叉学科的研究，涵盖无机化学、材料科学、纳米技术、计算模拟等知识领域。团队中每个合作者都有各自独特的的专业背景和研究方向，作为这个项目的主要承担者，沈渤不仅是主要的实验设计者，更是团队中沟通和协作的桥梁。他表示：“非常感谢我的博士后合作导师 Chad A. Mirkin、黄力梁博士以及其他合作者的帮助。也感谢父母和爱人一路走来对我科研理想的支持。”

　　另据悉，沈渤在学业上获得了多项奖项，包括美国西北大学国际纳米研究中心博士后奖学金、美国西北大学国际纳米研究中心杰出研究员奖，布朗大学 Dwight A. Sweigart 奖学金。此外，他还曾担任 Frontiers in Chemistry 客座副主编，以及 Nano Letters、Nanoscale Horizon、Nanoscale 等独立期刊的审稿人。这些经历都有助沈渤成为一名合格的科学家。

　　接下来，他计划回国继续从事科学研究。他说：“我非常希望能把多年海外所学的科学技术知识回报祖国。我认为中国有比全世界其他地方有更多的机遇，尤其是在科研领域。国内的科研环境非常好，不仅有优秀的人才和先进的仪器设备，还有广阔的发展空间和政策支持。我希望能与国内优秀的科研团队一起努力，为中国的科技创新事业做出自己的贡献。”

　　参考资料：

　　1.Shen, B., Huang, L., Shen, J., Hu, X., Zhong, P., Zheng, C. Y., ... & Mirkin, C. A. (2023). Morphology Engineering in Multicomponent Hollow Metal Chalcogenide Nanoparticles.ACS nano,17(5), 4642-4649.

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