太原理工大学刘旭光/王美玲J. Hazard. Mater.：超分子限域热解策略构筑横跨四个尺度的钼基纳米结构用于传感器构建

【研究内容】

具有高原子利用率、丰富的活性位点和特殊电子结构的金属纳米结构有利于对高毒性环境污染物如酚类的电传感检测。然而，传统的纳米结构，尤其是非贵金属通常会发生严重聚集，或由纳米颗粒和纳米团簇的混合物组成，导致检测灵敏度较低。本文精确控制了锚定在 N，P，O 共掺碳载体上横跨四个尺度的 Mo 基纳米结构（即 Mo₂C 纳米颗粒、Mo₂C 纳米点、Mo 纳米团簇和 Mo 单原子），研究表明以对苯二酚（HQ）作为传感目标，四个尺度的钼基材料对HQ的传感灵敏度依次为Mo单原子＞Mo₂C纳米点＞Mo纳米团簇＞Mo₂C纳米颗粒。特别地，负载型 Mo 单原子对 HQ 表现出优异的电传感性能，具有宽的线性范围（0.02-200 mM）和超低的检测限（0.005 mM），超过了大多数先前报道的贵金属催化剂。此外，儿茶酚 (CC) 和间苯二酚 (RC) 同分异构体的共存不会干扰 Mo 单原子传感器上 HQ 的检测。这项工作开辟了一种基于多金属氧酸盐的普适性单分子限制热解策略，可用于构筑跨越多个尺度（从单原子到过渡金属碳化物纳米颗粒）的超细过渡金属基纳米结构，以实现高效的电化学应用。

【研究成果】

太原理工大学材料科学与工程学院刘旭光教授/王美玲副教授近期在限域领域再添新成果，作者前期结合理论计算设计了“鱼网状”聚合物水凝胶并实现了磷钼酸分子的单分子限域（Nanoscale, 2020,12, 11887-11898,）。近期，课题组进一步借助限域热解策略制备了横跨多个尺寸范围的钼基物种。在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Supramolecular Confinement Pyrolysis to Carbon-supported Mo Nanostructures Spanning Four Scales for Hydroquinone Determination”的论文，实现了纳米级别催化剂的尺寸控制，为原子级别催化剂的精准开发提供了新方法。

【本文要点】

通过单分子限域热解策略，合成了尺寸可控的钼基电催化剂，达到了原子级别的多尺度控制。

原位限域策略实现了纳米级别的尺寸控制，有效的阻止了高温合成过程中钼基催化剂因表面张力引起的聚集现象，实现了从纳米颗粒碳化钼（图2a, e, i）、碳化钼纳米点(图2b, f, j)、钼金属团簇(图2c, g, k)到钼单原子催化剂(图2d, h, l)的精准制备。

使用X射线吸收精细结构谱对Mo单原子物种的存在形式、氧化态与配位结构进行了进一步表征，同时对Mo单原子物种的Mo K-edge进行了小波变换(WT-EXAFS)，验证了Mo单原子物种的成功合成。

通过对不同尺寸的Mo物种进行电化学测试，对其电化学传感性能进行了评估，同时进行了旋转圆盘测试进一步确认了催化剂性能顺序为Mo SAs＞Mo₂C NDs＞Mo NCs＞Mo₂C NPs。

本篇论文的第一作者为太原理工大学材料科学与工程学院2020级硕士研究生丛文华，论文通讯作者为太原理工大学材料科学与工程学院王美玲副教授/刘旭光教授，该研究得到了国家自然科学基金的资助。该工作以Research article的形式发表在Journal of Hazardous Materials (IF-10.588)。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129327

课题组近期在杂多酸限域领域已取得如下进展：单分子限域杂多酸诱导本征氧化还原活性增强储能性能（见https://doi.org/10.1002/eem2.12396）。