北理工團(tuán)隊(duì)在金屬氣凝膠領(lǐng)域取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-06-11 供稿：材料學(xué)院 攝影：材料學(xué)院
編輯：劉曉雪 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)杜然教授團(tuán)隊(duì)和賀志遠(yuǎn)教授課題組合作在金屬氣凝膠可控制備方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Controlled synthesis of noble metal aerogels mediated by salts”為題在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nat. Protoc.》發(fā)表（DOI: 10.1038/s41596-025-01185-1）。北京理工大學(xué)材料學(xué)院2022級(jí)博士生翁蓓蓓為第一作者，杜然教授、賀志遠(yuǎn)教授為論文共同通訊作者。
貴金屬氣凝膠（NMAs）于2009年首次亮相，通常由金屬納米顆粒組裝而成，結(jié)合了納米結(jié)構(gòu)金屬的物理化學(xué)特性（如高導(dǎo)電性、催化活性等）和氣凝膠的自支撐多孔結(jié)構(gòu)，是一類(lèi)備受關(guān)注的新型材料。NMAs在多個(gè)領(lǐng)域顯示出潛力，包括（電）催化、納米酶、傳感、自驅(qū)動(dòng)和表面增強(qiáng)拉曼散射等。盡管前景廣闊，但NMAs受控合成仍具有挑戰(zhàn)性，因此很難實(shí)現(xiàn)高性能應(yīng)用的目標(biāo)設(shè)計(jì)。這主要源于金屬和傳統(tǒng)凝膠體系在溶膠-凝膠過(guò)程中存在巨大差異，NMAs的制備不能簡(jiǎn)單套用其他凝膠體系的經(jīng)驗(yàn)。
在過(guò)去數(shù)年間，課題組在NMAs領(lǐng)域進(jìn)行了一系列原創(chuàng)性探索。基于對(duì)不同種類(lèi)鹽（如普通無(wú)機(jī)鹽、還原性鹽、貴金屬鹽、離子液體等）與金屬物種相互作用模式的理解，發(fā)展了多種鹽介導(dǎo)的可控制備方法（Sci. Adv. 2019, 5, eaaw4590., Nat. Commun. 2020, 11, 1590., Matter 2020, 2, 908-920., J. Mater. Chem. A 2021, 9, 17189-17197, Matter 2025, 8, 101905., Adv. Funct. Mater. 2025, 2504385），實(shí)現(xiàn)了NMAs化學(xué)組成、特征尺寸（從<5 nm="">到>100 nm）、元素分布的可控調(diào)節(jié)與快速制備。
首先，文中展示了以NH4F或NaBH4為引發(fā)劑、檸檬酸三鈉二水合物（NaCA）為配體制備金氣凝膠的整個(gè)過(guò)程和相應(yīng)機(jī)制。1）通過(guò)還原相應(yīng)的金屬鹽制備金屬NP溶液；2）通過(guò)添加普通鹽從NP溶液中制備N(xiāo)MH。選擇適當(dāng)?shù)柠}類(lèi)作為引發(fā)劑是該方法的核心。鹽的加入可以同時(shí)誘導(dǎo)鹽析效應(yīng)和金屬NPs的融合，促進(jìn)NPs定向組裝成結(jié)構(gòu)可控的自支撐凝膠（圖1）。
圖1 貴金屬氣凝膠合成過(guò)程和基本機(jī)理。
NMA的特征尺寸是決定其性能的最重要參數(shù)之一。文中通過(guò)采用不同的鹽作為引發(fā)劑和引入不同的配體兩種途徑來(lái)調(diào)節(jié)Au氣凝膠的特征尺寸大小（圖2）。
圖2 Au氣凝膠特征尺寸調(diào)控。
通過(guò)設(shè)計(jì)投料方式，可以調(diào)整多組分NMA的元素分布。例如，通過(guò)先共還原和后引發(fā)制備的Au-Pd凝膠顯示出隨機(jī)分布的Au和Pd。相比之下，采用動(dòng)態(tài)成殼法（dynamic shelling approach）則可獲得Au-Pd核殼結(jié)構(gòu)氣凝膠（圖3）。
圖3 快速制備元素可控的Au-Pd氣凝膠。
NMA基電催化劑在提供具有高導(dǎo)電性和豐富活性位點(diǎn)的連續(xù)自支撐3D網(wǎng)絡(luò)方面具有優(yōu)勢(shì)，從而提供高活性和高穩(wěn)定性。文中以乙醇氧化反應(yīng)為例指出NMA的優(yōu)異電催化性能（圖6）。
圖4 電催化乙醇氧化反應(yīng)。
綜上，系統(tǒng)講述了鹽介導(dǎo)的NMAs制備方法與步驟，實(shí)現(xiàn)了在室溫下快速制備組成、特征尺寸、元素分布可調(diào)的多種NMAs，為這一新興材料的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41596-025-01185-1
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