清华研发亚纳米带超结构的超柔性二元杂化氧化钼

近日,清华大学化学系王训团队通过采用“团簇-晶核共组装”方法,首次成功制备出了四种超柔性且具有优异的能量转化和催化活性的二元杂化氧化钼-多酸亚纳米带超结构。

氧化钼图片

随着近年来科学技术的不断发展,尺寸效应在纳米材料中发挥着越来越重要的作用。根据量子尺寸效应,当材料的尺寸逐渐减小到临界尺寸时,材料的比表面积和原子暴露率将急剧增加,而电子和能带结构也将随之改变,这往往会产生一些新的物理和化学现象。

亚纳米是一种纳米还小的度单位,是接近于许多晶体的单个晶胞和线性聚合物直径的临界尺寸。当化学材料的尺寸减到亚纳米尺度时,得益于尺寸诱导的机械柔性和表面原子几乎100%的暴露,材料的理化性能将会有所增加,如柔性、类聚合物性质等。虽然,目前已经报导了几种具有柔性和类聚合物性质的亚纳米材料,但是,在这些材料中往往只包含一种组分。因此,如何设计、合成超柔性、高性能的多元杂化亚纳米超结构仍然面临着巨大挑战。

为此,王训团队通过采用“团簇-晶核共组装”方法,在氧化钼成核阶段分别引入四种不同构型的钨基多酸团簇干预成核,多酸团簇与无机晶核共组装,最终生长形成四种形貌几乎完全一致的超柔性二元杂化亚纳米带超结构。电镜照片显示,该亚纳米带可自发进行伸缩、弯曲、缠绕、卷曲。其中,最具代表性的是大量亚纳米带可卷曲形成结构高度有序的蚊香状纳米卷。

四种二元杂化氧化钼-多酸亚纳米带超结构的形貌及组分表征

二元杂化亚纳米带超结构的形成机理:分子动力学模拟的结果表明,多酸团簇与氧化钼分子相互作用,两者共组装最终生长形成二元杂化亚纳米带,其可进一步卷曲形成纳米卷。同时,能量计算结果表明,卷曲后的结构势能更低,从而表明该构型更稳定。

得益于独特的亚纳米结构和多种组分间的协同效应,制备得到的四种二元杂化亚纳米带超结构不仅在波长为808 nm激光照射下表现出了非常优异的光热转换性能,而且,其在室温有机催化氧化硫醚的反应中具有十分高效的催化活性和选择性。该工作将为进一步设计合成超柔性、高性能的多元杂化团簇-无机亚纳米材料提供新的思路。

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