具有巨大催化潜力的二维纳米颗粒

氢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和稀有的物质，例如通过电解水分解。更容易获得的催化剂可以使未来大批量生产成为可能。

康斯坦茨大学的Helmut Cölfen(物理化学)和Peter Nielaba(统计和计算物理)的研究团队与来自中国海洋大学青岛(中国)和柏林马克斯普朗克学会弗里茨哈伯研究所的研究人员一起开发了一种通用方法，从易于获得的材料中生产二维纳米颗粒。

二维纳米颗粒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性的催化剂。

相应的合成过程在简单的水溶液中进行。不需要有毒添加剂或特别高的温度，这些温度在能量上是不利的。该过程通过简单地改变组分的浓度和温度调节来控制。研究小组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，这种方法现在首次在Nature Synthesis杂志上进行了描述。

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，其性质与粒子内的原子不同。表面原子的键是不饱和的，因为表面缺乏在粒子内部形成键的直接相邻原子。这会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是相当消耗能量的，纳米颗粒试图聚集在一起以使键饱和并最小化表面积。

然而，如果表面键保持不饱和，这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高，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。这使得它们对催化特别感兴趣，催化在化学中起着重要作用。然而，由于表面的不利能态，所需的纳米晶体难以制造。

二维纳米颗粒是各向异性的，其性质取决于其构建块的方向。颗粒的晶格对其生长方向具有决定性作用。如果纳米颗粒像粘土一样具有分层晶格，则颗粒会二维生长。然而，有利于催化的材料很少单独采用二维形状。

如果晶格决定了晶体沿着两个晶轴快速生长，则可以轻松合成二维纳米颗粒。然后，溶液中只需要几个分子构建块即可二维生长纳米颗粒。如果晶体在其他方向上生长得同样快或稍慢，晶体就会呈现出三维形状。

纳米颗粒如何二维生长

研究小组发现了如何使用溶液中分子构建块的浓度来操纵这一过程：如果增加构建块的浓度，“快速生长的也会消耗更多的材料”的原理开始发挥作用：快速生长和生长较慢的晶体轴之间的距离增加，从而产生二维颗粒。

如果沿不同相关晶轴的生长速率大致相同，则增加构建块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。晶体表面的生长速度呈指数级增长，取决于温度。如果溶液的温度变化哪怕只有几度，缓慢生长的晶面和快速生长的晶面之间的生长速率差异就会增加。结果，纳米颗粒在二维空间中生长。

该方法适用于元素周期表的 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组中的金属，总共超过30种，这些金属的二维形式为氧化物或氢氧化物，但也包括酸，硫化物，氧氯化物和磷酸盐。这种首次描述的通用方法的优点是：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，催化材料的产量具有高度可扩展性。在实验室中，研究人员正在多克尺度上工作。为了使用易于获取的物质大量生产催化剂，只需要一个密封容器，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Peter Nielaba团队在与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”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。“计算和我们在实验上的发现完全一致，”Helmut Cölfen总结道。