2017年10月23日
[本篇访问: 8493]
化学化工学院彭路明研究员课题组在纳米材料的固体核磁共振谱学研究方面再获重要进展

氧化物纳米晶在催化等领域的应用与其暴露晶面密切相关,因此确定晶面结构是建立构效关系、设计性能更优越的新材料的关键。目前,纳米材料的表面结构主要借助各种电子显微镜技术表征。然而,电镜技术因为观测视野小,所给出的结果可能未必很好地代表整个样品。因此亟待发展新的表征纳米氧化物材料晶面的方法。

化学化工学院介观化学教育部重点实验室彭路明研究员课题组积极开展这一挑战性课题的研究。在此之前,已经借助17O固体核磁共振谱学区分了氧化物纳米材料表面不同层的O物种(M. Wang, et al., Sci. Adv., 2015, 1, e1400133)。近期,他们以具有代表性的两种锐钛矿TiO2纳米晶为例(主要暴露{001}晶面的纳米片和主要暴露{101}晶面的纳米八面体),发展了通过17O固体核磁共振谱学区分暴露不同晶面氧化物纳米晶的新方法,相关研究结果发表在《自然通讯》杂志上(Y. Li, et al., Nat. Commun., 2017, 8, 581)。南京大学为本论文第一单位,南京大学博士研究生李玉红和华东理工大学吴新平博士为共同第一作者,南京大学彭路明研究员和华东理工大学龚学庆教授为共同通讯作者,新加坡A*STAR林明博士、中国科学院强磁场科学中心喻志武研究员、南京大学董林、高飞、侯文华、郭学锋、丁维平等教授和柯晓康高工参与了本论文的研究工作。

该项研究中,在较低温度下将纳米晶样品与H217O进行同位素交换,仅使纳米晶表面的O物种被17O标记。实验发现,表面选择性标记后两种纳米晶的17O核磁共振谱图截然不同,说明不同晶面的表面O物种的化学环境确实有显著差异,能够通过核磁共振谱学区分纳米晶的暴露镜面。研究还通过对比实验谱图和由不同模型计算得到的谱图,提供了以往谱学研究从未提供的细节:在高能的TiO2(001)表面,发生了表面重构以及H2O分子的解离吸附;在较低能量的TiO2(101)表面,存在“台阶”状缺陷位,H2O分子更易在该位置发生分子吸附。

这项工作为表征氧化物纳米晶的暴露晶面、揭示表面局域结构乃至研究这类材料的构效关系提供了一种灵敏的新方法。《物理化学学报》将该工作作为亮点报道(Acta Phys. -Chim. Sin., in press, doi: 10.3866/PKU.WHXB201709251)。

以上研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重大科学研究计划青年科学家专题、英国皇家学会牛顿高级学者等项目的支持和资助。

(化学化工学院 科学技术处)