新理论模型揭示水汽环境中的金属纳米团簇奇异变化

2016/03/25 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

水是生命之源,是地球上最常见的环境之一。水环境是否能对材料结构性质产生影响以及如何影响,是一个与日常生活以及工业生产等方面密切相关的基本科学问题。近日,中国科学院上海应用物理研究所的研究人员通过建立一个新型理论模型,有效模拟了水汽环境对金属纳米颗粒结构形貌的影响。研究显示,环境温度与水汽压强能够显著改变金属纳米颗粒的形貌结构。相关结果发表于《纳米快报》(Nano Letters)杂志。

众所周知,纳米颗粒材料的形貌对其表面物理化学性质起着至关重要的作用。例如,纳米催化材料的形貌直接影响着其表面活性位点的数量,从而对其催化活性起着决定性的影响。纳米材料的实际物理化学性质的研究必须结合其在实际环境中的表面结构来研究这一观点现在已经为人们所广泛接受。然而,水环境对于固体纳米材料结构性质的影响还没有得到足够的重视。一方面是由于传统概念中人们认为水环境对于固体材料的影响微乎其微可以忽略,另一方面是由于实验上观察水环境对固体结构影响的工作需要用到最先进的原位观测技术。因此,对此问题的理论研究就显得非常必要和迫切。

上海应物所水科学与技术研究室的研究人员,在传统的Wulff Construction理论的基础上,结合Langmuir分子吸附模型与第一性原理计算成功地将温度与水汽环境等多实验参量与金属稳定形貌联系了起来。借助于自主开发的多尺度模型和计算机模拟,他们成功观察到铜纳米颗粒在不同水汽环境中的稳定构型,并再现了实验结果。同时,他们对水汽环境中金、铂、钯等常用纳米催化剂的形貌进行了构建。这一工作不仅对纳米催化以及纳米材料学领域的实验学家能起到很好的理论指引作用,有助于人们正确认识水-固相互作用,同时为进一步研究介观尺度上外界环境对固体材料的影响提供了一个简单但有效的理论模型。

该项研究由朱倍恩博士、徐震博士、王春雷博士在高嶷研究员指导下完成。该工作得到了中国科学院、上海应用物理研究所、国家自然科学基金委、中科院-上海联合科学中心、以及NSFC-广东联合基金(第二期)超级计算科学应用研究专项、国家超级计算广州中心、天津中心、上海中心、和深圳中心的共同资助和支持。(水科学研究室 供稿)

(左)理论模拟得到的铜8nm铜纳米颗粒在水汽环境中的结构相图;(右)相应铜纳米颗粒结构随温度及水汽压强变化趋势图

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