Nat.Commun.：通過氣相去合金化製備三維雙連續多孔納米材料
【引言】
開放性三維雙連續（3DBO）納米孔隙材料引起了越來越廣大的關注，這是因為這種結構有著大的比表面積和高的電/熱導率，能夠適用於催化，表面增強拉曼散射，驅動和能量儲存及轉化等領域。去合金化，即選擇性地從合金中去除某一組分，是製造納米多孔材料的有效方法。然而，目前的電化學和液態金屬脫合金法只能用於有限數量的合金，並且通常需要的蝕刻工藝會產生化學污染。在這，文章提出了一種綠色和通用的方法，氣相去合金化法（VPD）法，其是利用合金中的構成元素之間的蒸氣壓差來製造納米多孔材料，通過高的局部氣壓來選擇性地去除合金中某組元從而得到3DBO納米孔隙度。無論其化學活性如何，廣泛的材料都可以製成具有可調節孔徑的納米多孔材料。重要的是，蒸發的組元能夠完全回收。這種環境友好的合成方法為製造廣泛的結構和功能應用的3DBO納米多孔材料打下基礎。
【成果簡介】
近日，日本東北大學陳明偉教授（通訊作者）等團隊在Nature Communications上發表題為 「Three-dimensional bicontinuous nanoporous materials by vapor phase dealloying」的文章。文章中提出了一種全新的去合金化方法——VPD法來製備納米多孔材料，該團隊已成功地從前驅體Co5Zn21、Ti2Zn8、Ni2Zn11、Si2Zn8中分別製備出納米多孔Co、納米多孔Ti、納米多孔Ni、以及納米多孔Si材料等。文章證實VPD是一種通用、經濟且環保的納米多孔材料製備方法。
【圖文導讀】
圖1. 氣相去合金化及製備模型——Co5Zn21前
驅體
a. 鋅 - 鈷合金系統中鋅和鈷的飽和蒸汽壓的溫度依賴性。
b. 納米多孔鈷製造過程的示意圖。
c. Co5Zn21前驅體薄帶的XRD圖譜和相應的γ-Co5Zn21的PDF標準卡。插圖顯示了Co5Zn21前驅體薄帶的照片。
d. 高真空可回收氣相去合金系統的示意圖。
圖2. 低真空納米多孔鈷的微觀結構表徵
a-d. 在773 K和100 Pa下納米多孔鈷在從5到120分鐘的不同去合金化時間的掃描電鏡圖，a-d比例尺為200納米。
e. 納米鈷的孔徑的時間依賴性。
f. 在30分鐘的固定的去合金化時間下孔徑與去合金化溫度之間的關係。
圖3. 納米多孔鈷在高真空下的微觀結構表徵
a-b. 在673 K和6×10-3Pa下，去合金化時間為20 min，60min的納米多孔鈷的掃描電鏡圖。圖中比例尺為100 nm。
c. 低真空和高真空去合金化條件下殘餘鋅濃度與去合金化時間之間的關係。
d. 不同去合金化條件下的孔徑大小和去合金化時間的關係。
圖4. 納米多孔鈷的結構及物理性能
a. 在773 K和100 Pa下各種去合金化時間製備的納米多孔鈷的XRD圖譜。
b. 在773 K和100 Pa下不同的去合金化時間下納米多孔Co晶格參數的變化。
c. 在低和高真空 去合金化條件下從ln[d(t)]與ln(t)之間的關係曲線測得粗化指數。
d. 在不同的去合金化條件下納米多孔鈷形成和粗化的估計活化能E值。
【小結】
文章介紹了一種通用的去合金化法（VPD）來製備3DBO納米多孔材料。通過使用Zn-Co作為原型系統，證明了通過VPD可以實現Co的3DBO納米孔隙度，並且通過控制合成溫度，時間和壓力，可以將尺寸調整到從幾十納米到微米的寬尺寸範圍。這項研究為今後製造和設計廣泛的結構和功能應用的雙連續納米多孔材料奠定了基礎，對納米材料的科學應用具有重大意義。
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