水汽环境中金属/合金纳米颗粒结构变化的理论研究

Metal/alloy nanoparticles have drawn remarkable attentions due to their widespread applications in electronics, engineering and catalysis [Nat. Mater., 2013, 12, 81; Science,2014, 346, 6216; Phys. Rev. Lett., 2004, 93, 4]. Recent studies have shown there is surface reconstruction occurring under the reactive environment, which would highly influence the physical and chemical properties of these materials [Science, 2008, 322 932; Phys. Rev. Lett., 2012, 109, 125504]. How to bridge the “material gap” between the model system and real catalysis is a critical issue in nanomaterial science [Science, 2014, 346, 620]. Despite of the significant progress achieved in this area, water vapor, the ubiquitous environment, is mostly neglected by now. In our resent work, we theoretically propose water vapor holds the possibility of changing the shape of metal nanoparticles and altering the surface composition of Cu-alloys. In this project we will continue to study the effect of water vapor on nanoalloys and nanometals with different compositions, sizes and morphologies. We hope to call people's attention on the surface reconstruction in water vapor and give a better understanding of the solid-water interface in nanoscale.

最近几年纳米金属/合金材料因其独特而优异的化学物理性质引起了人们的极大关注。尤其是其在新能源开发和应用中起到的巨大作用使其成为了目前科研领域的明星材料。随着原位技术的不断发展，人们发现真实工作环境对金属纳米材料表面结构以及合金纳米材料表面偏析现象有很大的影响。大量的人力物力已投入到金属/合金材料在实验室条件下发生的表面结构重组现象的研究中。但是另一方面水汽环境对固体金属/合金表面结构的影响还没有引起人们足够重视。水汽环境是日常生活与生产中最常见及重要的环境之一，长久以来人们一直认为水汽环境对金属表面结构的影响是种缓慢而温和的作用。在本人先期的工作中发现在纳米尺度下，水汽环境能对Cu等金属/合金表面结构起到极大的影响，甚至导致结构重组现象。在本研究课题中，本人将在之前研究基础上深入研究水汽环境中纳米金属/合金材料的表面结构演化。

反应前制备合成的纳米催化剂在反应过程中是否以及如何发生结构演化是当下材料科学、催化科学及表面科学中的基本问题。在本研究中，我们建立了多尺度结构重构模型首次实现了在包括但不限于水汽环境等真实反应环境中的催化剂形貌演化的定量描述。我们的模型可以准确给出给定温度、气压下的纳米金属颗粒的原子级别稳定结构。在一系列的实验合作过程中，我们模型的准确性与实用性得到了充分的验证。此外，我们开展了宏观时间尺度动力学蒙特卡洛模拟，研究了纳米材料在高温下的结构演变动力学过程。对于气氛诱导的合金偏析，我们提出的新理论模型可以做到对确定温度、气压下的合金表面偏析现象进行定量化预测。使用这一新模型，我们解释了许多实验上观察到的合金表面在反应环境中的动态变化。许多之前认为矛盾的实验现象得到了解释。这些理论新模型开创了定量化研究纳米催化材料在反应条件下结构变化的先河，为在真实反应环境中在分子与原子尺度上对催化剂进行设计奠定了坚实的基础。