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arXiv (Cornell University)来源发表:

Au-Rh 双金属纳米颗粒表面自发形成亚纳米级 Au 覆盖层,其厚度受各向异性应变限制

核心概要

该研究报道双金属纳米颗粒可形成热力学控制的“壳-二聚体”结构,以 Au-Rh 为模型体系,通过原子分辨率成像与分子动力学模拟表明,Rh 表面会形成超薄 Au 覆盖层,其稳定性来自表面能、界面能与应变能的竞争,各向异性应变将覆盖层生长限制在亚纳米尺度,而表面化学变化可使其完全失稳;在多种双金属纳米颗粒中,覆盖层形成与元素不互溶及晶格失配相关。

深度剖析

双金属纳米颗粒可形成热力学控制的“壳-二聚体”结构,即一种金属在另一种金属上形成仅几个原子层厚的覆盖层。 此前纳米颗粒表面原子级结构难以预测,该工作提出并验证了一种可预测的覆盖层构型。 以 Au-Rh 为模型体系,结合原子分辨率成像与分子动力学模拟。

超薄 Au 覆盖层在 Rh 上的稳定性由表面能、界面能与应变能的竞争决定,各向异性应变将其生长限制在亚纳米尺度。 将覆盖层厚度限制归因于各向异性应变,而非仅归因于热力学平衡。 原子分辨率成像与分子动力学模拟共同支持。

表面化学变化可使覆盖层完全失稳。 表明覆盖层并非固定不变,其存在依赖于表面化学环境。 文中报告了表面化学变化导致覆盖层失稳的结果。

在多种双金属纳米颗粒中,覆盖层形成与元素不互溶及晶格失配相关。 将 Au-Rh 的发现推广到更广的双金属体系,提出可推广的关联规律。 跨多种双金属纳米颗粒的观察。

启示与展望

该结果适用于双金属纳米颗粒的表面结构预测与调控,尤其是元素不互溶且存在晶格失配的体系;对 Au-Rh 模型体系给出了原子级证据,并将关联推广到多种双金属纳米颗粒。这为在催化、能源等依赖表面性质的场景中设计多金属纳米颗粒提供了依据。

覆盖层形成与元素不互溶及晶格失配的关联是在多种双金属纳米颗粒中观察到的,其普适程度及定量判据仍需进一步检验;表面化学变化导致覆盖层失稳的具体条件与可逆性,以及各向异性应变限制生长的微观机制,是后续值得关注的问题。

来源