北航郭林JACS: 有序取向成核生长新机制

钢铁侠 1个月前 (11-12) 888浏览

成核和结晶是物质科学中普遍存在的重要概念，发生在许多自然和工业过程中。根据传统的成核理论，溶液中的成核源于热波动引起的局部浓度的瞬时波动，致使成核与生长表现出随机取向。因此，在基底上生长的纳米片阵列总是表现出无序排列，这严重阻碍了催化过程中的液相传质。特别是，当涉及到工业规模的电催化产气反应时（如电解水），安培级的高电流密度对电极的传质能力提出更高的要求。

北京航空航天大学化学学院郭林教授联手物理学院刘利民教授和航空科学与工程学院董雷霆教授，提出了基于应力诱导的定向形核生长机制，并在纤维基底上成功实现了规则取向生长的平行纳米片阵列。这一发现颠覆了传统依赖热波动无序成核，仅能获得杂乱阵列的成核理论，实现了取向性成核生长新模式。该生长方式可以实现纳米片阵列间距从纳米级至微米级高精度可控调节，打破了传统物理加工方法仅能实现毫米级和微米级加工尺度的限制。相比于传统杂乱阵列结构，平行阵列电极表面优化了液相传质动力学和气泡脱附动力学，呈现更快的气泡脱附速度与更小的气泡逸出直径。在实际电解水产氧反应中，高活性的非晶纳米片催化剂提供快速的氧气生成，平行阵列结构优化了氧气泡在电极表面迅速脱附，使得该新型电极展示出优异的工业级快速产氧活性及循环稳定性。这一工作为新型电催化电极的微纳尺度定向生长提供了思路，也为纳米材料的工业级电催化应用提供了借鉴。研究成果以Parallel Nanosheet Arrays for Industrial Oxygen Production为题发表于Journal of the American Society。