具有巨大催化潜力的二维纳米粒子

氢气被认为是传统化石燃料的环保替代品。到目前为止，其催化生产需要昂贵且稀有的物质，例如铂，例如通过电解水分解。更容易获得的催化剂可以使未来大量生产成为可能。

康斯坦茨大学的HelmutCölfen(物理化学)和PeterNielaba(统计与计算物理学)的研究团队与中国海洋大学的研究人员一起开发了一种从易于获取的材料中生产二维纳米粒子的通用方法，青岛(中国)和柏林(德国)马克斯普朗克学会弗里茨哈伯研究所。

二维纳米粒子具有很高的催化潜力，这就是为什么这种合成路线适用于生产特别活跃的催化剂的原因。

相应的合成过程是在简单的水溶液中进行的。不需要对能量不利的有毒添加剂或特别高的温度。通过简单地改变组分的浓度和通过温度调节来控制该过程。该研究团队使用这种方法成功地将30多种不同的化合物塑造成二维形式，该方法现已首次在《自然合成》杂志上进行描述。

二维纳米粒子的优势

二维(2D)纳米粒子具有特别多的表面原子，这些原子具有与粒子内原子不同的特性。表面原子的键是不饱和的，因为表面缺少在颗粒内部形成键的紧邻原子。这导致表面或界面张力。由于这种非饱和状态对整个系统来说非常耗能，因此纳米粒子试图聚集在一起以使键饱和并最小化表面积。

但是，如果表面键保持不饱和，则会导致化学反应性增加。二维纳米颗粒中不饱和键的数量特别多，因为它们不仅在顶部和底部，而且在侧面和边缘都有不饱和键。这使得它们对催化作用特别感兴趣，而催化作用在化学中起着重要作用。然而，由于表面的能量状态不利，因此难以制造所需的纳米晶体。

二维纳米粒子是各向异性的，它们的特性取决于它们的结构单元的方向。颗粒的晶格对其生长方向具有决定性作用。如果纳米粒子像粘土一样具有层状晶格，则粒子会二维生长。然而，有利于催化的材料很少单独采用二维形状。

如果晶格规定晶体沿两个晶轴快速生长，则可以轻松合成二维纳米粒子。然后，溶液中只需要几个分子结构单元就可以二维生长纳米粒子。如果晶体在其他方向的生长速度一样快或稍慢，则晶体会呈现三维形状。

纳米粒子如何二维生长

研究小组发现了如何利用溶液中分子结构单元的浓度来操纵这一过程：如果结构单元的浓度增加，“长得快的也消耗更多的材料”的原理就会发挥作用：距离快速生长和较慢生长的晶轴之间增加，导致二维颗粒。

如果沿不同相关晶轴的生长速率大致相同，则增加结构单元浓度的方法不起作用。在这种情况下，研究人员使用另一个参数。晶体表面的生长速率与温度呈指数关系。如果溶液的温度改变几度，缓慢和快速生长的晶面之间的生长速率差异就会增加。结果，纳米颗粒在两个维度上生长。

该方法适用于元素周期表中的30多种元素

此一般程序适用于许多材料。在元素周期表中，德中研究小组能够识别出许多族群中的金属，总共超过30种，它们以二维形式呈现为氧化物或氢氧化物，还有酸、硫化物、氯氧化物和磷酸盐。这种首次被描述的一般方法的优点是：在大多数情况下，材料是在室温下在水中生产的——没有有毒溶剂或高温。

此外，催化材料的产量是高度可扩展的。在实验室中，研究人员正在研究多克尺度。要使用容易获得的物质大量生产催化剂，所需要的只是一个密封容器，而不是压力容器等特殊设备。

实验证实理论

实验研究还展示了如何将理论知识付诸实践。这些实验证实了PeterNielaba团队在康斯坦茨大学合作研究中心1214“各向异性粒子作为构建块：定制形状、相互作用和结构”中与Cölfen团队的联合项目中进行的理论模拟。

物理学家已经考虑了成分浓度和温度的变化。“计算结果与我们通过实验发现的结果完全吻合，”HelmutCölfen总结道。

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