Matter: 无模板法合成具有大量表面缺陷的晶态介孔过渡金属氧化物纳米片

小向日葵

2020-03-06

具有晶体壁的介孔过渡金属氧化物在催化和能量存储中很有应用前景。然而，由于在溶胶-凝胶法中结晶期间造成很大的体积收缩，这些结晶介孔氧化物的合成目前仍是未解决的挑战。因此，康涅狄格大学的Jie He， Steven L. Suib，Yuanyuan Zhu 和南京师范大学的刘犇发展了一种简便且通用的无模板方法，该方法可制备六种具有高度结晶的壁和连续介孔的过渡金属氧化物二维纳米片，例如CuO，CoO和尖晶石MCo₂O₄（M = Co，Cu，Mn，Zn）。

本文要点

1）为避免氧化物从其非晶态溶胶中热结晶，利用高结晶性碱性碳酸盐（即M(OH)₂CO₃）转化为金属氧化物。同时，在没有任何模板的情况下，随着金属氧化物内的小分子（如CO₂和H₂O）的去除，产生3-8 nm的介孔。由于大多数碱性碳酸盐具有较低的热分解温度， 因此可有效消除非金属成分并避免晶粒的过度生长和孔的塌陷，同时保持氧化物的高结晶度。

2）在介孔Co₃O₄纳米片的表面发现存在大量的表面台阶缺陷。富含缺陷的Co₃O₄纳米片具有类过氧化氢酶和过氧化物酶的活性， 其活性比市售的过氧化氢酶和过氧化物酶高约130倍， 比通过硬模板法制备的介孔Co₃O₄活性高10倍。密度泛函理论（DFT）计算发现表面Co台阶缺陷可稳定O* 物种，并显著降低O-O键断裂以及生成的活化势垒，表面钴台阶缺陷是提高Co₃O₄活性的关键因素。

3） 提供了一种制备具有结晶壁和富缺陷表面的纳米介孔氧化物的有效且价格低廉的新方法，这些氧化物在非均相催化中具有很大的潜在应用价值。

Mingzhen Hu et al. Template-free Synthesis of Mesoporous and Crystalline Transition Metal Oxide Nanoplates with Abundant Surface Defects. Matter, 2020, 2, 1–16.  

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520300643