包信和等提出动态尺寸效应决定纳米粒子稳定机制

最近，中国科学院大连化学研究所鲍新河院士和约翰·杨研究员带领纳米与界面催化研究小组首次提出“动态尺寸效应”决定纳米粒子的稳定机制。相关的研究结果发表在英国杂志《自然通讯》上。

在传统知识中，纳米材料随着尺寸减小和缺陷密度增加而带来高反应性，但也牺牲了长期稳定性。至于纳米材料在大气或反应中的稳定性，尤其是对催化反应至关重要的5nm以下的活性纳米结构，目前还缺乏原子尺度的微观机理研究。

通过在铂(111)表面构建不同尺寸和高度规则结构的氧化亚铁纳米结构，并研究深度氧化动力学，研究人员发现直径小于3纳米的氧化亚铁纳米粒子显示出更好的抗氧化性。利用高分辨率扫描隧道显微镜(STM)和密度泛函理论计算，该团队首次发现了纳米结构的尺寸依赖性动态变化及其在纳米粒子氧化过程中的决定性作用。研究还发现，当边界配位不饱和Fe2+离解O2时，尺寸小于3.2纳米的FeO纳米粒子经历整体重组，使得离解的氧原子在边界处稳定，并且难以钻入FeO和铂之间的界面，从而减缓FeO的深度氧化过程。另一方面，尺寸为3.2纳米或更大的颗粒更可能被进一步氧化，因为它们不能完成整体重组，形成表面位错，并且难以稳定边界氧原子。换句话说，小纳米粒子更有可能在反应中动态变化，并达到相对稳定的结构构型。这种“动态尺寸效应”使得小纳米粒子表现出异常的稳定性。此外，研究团队还研究了负载在铂(111)或金(111)上的CoO纳米结构，并且还发现3纳米以下的颗粒具有相似的抗氧化性，这表明这种动态尺寸效应对于负载的过渡金属氧化物纳米结构具有一定的普适性。

该研究不仅从原子水平上理解了纳米催化剂在大气中的动态重构机理，而且为防腐抗氧化纳米防护涂层的开发提供了界面调控的新思路。

上述研究得到了中国国家自然科学基金、科技部、中国科学院、纳米科学卓越与创新中心和教育部能源与材料化学合作创新中心的支持。