香港城市大学张华教授JACS: 选择性外延生长制备1D/2D Rh-Au异质结构助力高效制氢

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文章信息

Rh纳米棒在2H/fcc异相Au纳米片上的选择性外延生长以形成1D/2D Rh-Au异质结构用于高效制氢

First published: 11 March 2021

第一作者：刘佳玮，牛文新，刘贵高

通讯作者：张华*

单位：香港城市大学

研究背景

由张华教授课题组提出的纳米材料相工程（PEN）概念已被用于合成具有非热力学稳定相的金属纳米材料。

这些非常规相金属纳米材料可进一步被用作模板，来构建金属异质结纳米材料。然而，此类非常规相金属纳米材料通常具有特殊的结构，当被用为模板时，其特殊结构会影响二次金属的成核与生长，此种影响仍需系统研究。

文章简介

基于此，香港城市大学张华教授在在国际知名期刊JACS上发表题为“Selective Epitaxial Growth of Rh Nanorods on 2H/fcc Heterophase Au Nanosheets to Form 1D/2D Rh−Au Heterostructures for Highly Efficient Hydrogen Evolution”的研究工作。

该工作报道了一种全新、简便的湿化学一锅法来制备具有高产率的、近似正方形的、具有非常规2H/fcc异相的贵金属金（Au）纳米片。这种近似方形的2H/fcc 异相Au纳米片呈现独特的结构，即两个对边具有2H/fcc异相并且富含缺陷，另外两个对边具有基本无缺陷的fcc相，上下两个基面具有2H/fcc异相并且富含缺陷。

基于这种特殊的结构，2H/fcc异相Au纳米片被用作模板，来研究如何在模板的不同区域以及不同晶相上选择性生长二次金属铑（Rh）纳米棒。通过精准调控反应速度，Rh纳米棒成功地外延生长在2H/fcc异相Au纳米片上，形成了三种1D/2D Rh-Au异质结构，即在三种异质结构中，Rh纳米棒的生长表现出不同程度的位点选择性和生长密度。此外，异质结构C被用作酸性介质中电化学析氢反应（HER）的催化剂，表现出优异的催化性能。

本文要点

要点一：提出了一种全新、简便的湿化学一锅法来制备具有高产率的、近似正方形的、具有非常规2H/fcc异相的Au纳米片。这种2H/fcc 异相Au纳米片呈现独特的结构。

图1. 2H/fcc异相Au纳米片的结构表征

要点二：以2H/fcc异相金纳米片为模板，通过精准调控反应速度，成功制备了三种1D/2D Rh-Au异质结构。

在异质结构A中，Rh纳米棒的生长呈现高的位点选择性和低的生长密度，即Rh纳米棒仅生长在两个2H/fcc对边的2H相区域和fcc相的层错/孪晶区域。

在异质结构B中，Rh纳米棒的生长呈现中等程度的位点选择性和生长密度，即Rh纳米棒生长在两个2H/fcc对边和两个2H/fcc基面的2H相区域和fcc相的层错/孪晶区域。在异质结构C中，Rh纳米棒的生长不具有位点选择性，但具有很高的生长密度，即Rh纳米棒生长在四个边和两个基面的所有结构位点上。

图2. Rh纳米棒在2H/fcc异相Au纳米片上的选择性外延生长以形成三种1D/2D Rh-Au异质结构

要点三：优异的电催化性能

实验结果显示，在酸性介质中，C型Rh-Au异质结被用作电化学析氢反应（HER）的电催化剂时，仅需8.7mV的过电位即可达到10 mA cm-2的电流密度，Tafel斜率为29.5 mV dec-1，30 mV时的周转频率（TOF）为6.58 s-1 H2。其优异的HER催化性能可媲美已报道的Rh基和其他贵金属基HER电催化剂。

图3. 酸性介质中HER电化学测试

文章链接

Selective Epitaxial Growth of Rh Nanorods on 2H/fcc Heterophase Au Nanosheets to Form 1D/2D Rh–Au Heterostructures for Highly Efficient Hydrogen Evolution

https://doi.org/10.1021/jacs.1c00612

通讯作者介绍

张华，香港城市大学化学系胡晓明讲座教授（纳米材料）。

1992和1995年分别获南京大学学士和硕士学位，1998年获北京大学博士学位(导师：刘忠范院士)。1999和2001年分别赴比利时鲁汶大学Prof. Frans C. De Schryver课题组和美国西北大学Prof. Chad A. Mirkin课题组从事博士后研究。2003和2015年分别在美国NanoInk 公司和新加坡生物工程与纳米技术研究院工作。2006年加入新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院任助理教授，分别于2011、2013年晋升为副教授、教授。2019年，全职加盟香港城市大学化学系。

张华教授的研究领域涵盖多个前沿交叉学科。目前的研究聚焦在纳米材料相工程（PEN）、精细多级结构的可控外延生长等。具体工作主要包括以下几个方面：超薄二维纳米材料（如金属纳米片、金属硫化物、石墨烯、金属有机骨架、共价有机框架等）、金属和半导体纳米材料的新型晶相、新型无定形纳米材料，及其多功能纳米复合材料的制备，以及在催化、清洁能源、光电器件、纳米与生物传感、环境水污染处理等方面的应用研究。迄今为止，张华教授已申请了74项专利（包括授权1项中国专利、1项新加坡专利和8项美国专利），并发表了520余篇学术论文。截止于2021年3月，基于Web of Science和谷歌学术的统计数据，张华教授的文章分别被引85,000余次（H因子为143）和99,600余次（H因子为153）。张华教授于2020年当选欧洲科学院外籍院士 (Foreign Fellow of European Academy of Sciences)，2015年当选亚太材料学院院士 (Academician of the Asia Pacific Academy of Materials)，2014年当选英国皇家化学会会士 (Fellow of the Royal Society of Chemistry)。张华教授所获得学术荣誉和奖项包括：入选“全球最有影响力科学思想名录（the World's Most Influential Scientific Minds）”和“高被引科学家名单”(2014年“材料科学”，2015-2020“化学”和“材料科学”；汤森路透/科睿唯安), 2014和2015年分别入选全球17和19位热门科学家榜单 (Hottest Researchers of Today，汤森路透)， 荣获澳大利亚伍龙贡大学校长国际学者奖 (Vice-Chancellor's International Scholar Award，2016)，美国化学学会ACS Nano Lectureship奖 (2015), 世界文化理事会(WCC)特别表彰奖 (Special Recognition Award，2013), 希腊ONASSIA Foundation Lectureship (2013), SMALL青年创新奖 (Wiley-VCH, 2012) ，南洋杰出研究奖 (2011)，等。

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