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FeOOH晶相結構研究及晶相依賴的電化學分析行為取得新進展

發布日期:2020-01-13     作者: 楊猛

近期,中科院合肥智能機械研究所黃行九研究員課題組博士后楊猛與林楚紅副研究員合作,利用透射電子顯微鏡(TEM)旋轉模式研究了不同晶相FeOOH納米棒的橫截面結構并闡明其晶體生長方向;結合同步輻射X射線吸收精細結構(XAFS)技術和動力學模擬計算等手段,揭示了其在重金屬離子電化學分析過程中的優勢晶相新機制。相關研究成果已被德國Wiley出版社Small雜志接收發表(Small 2020. DOI: 10.1002/smll.201906830)。

金屬氫氧化物納米材料由于其優異的催化性質而被廣泛應用于能源和環境領域。盡管已有報道表明金屬氫氧化物納米材料不同的晶相結構表現出獨特的電化學性能,但是,由于催化反應體系復雜,影響其電催化性質的因素眾多,對于金屬氫氧化物納米材料晶相依賴的電化學行為背后的關鍵因素難以確認。一方面是缺乏從原子層面上理解納米材料與目標分析物之間的相互作用;另一方面是催化反應中的動力學過程不甚清楚。此外,對于不同晶相的金屬氫氧化物納米材料的內部結構和生長方向缺乏直接證據。而闡明納米材料的結構與電化學性能之間的關系對于設計有效的敏感界面具有重要指導意義。

基于上述問題,研究人員首先合成了棒狀α-和β-FeOOH,通過透射電子顯微鏡旋轉不同的角度研究其橫截面形狀,結合晶格條紋間距與納米衍射對應晶面的分析結果,首次從實驗上證實了α-FeOOH納米棒的橫截面是菱形,而β-FeOOH納米棒的橫截面是正方形,且α-和β-FeOOH納米棒生長方向均為[001]方向。然后,利用α-和β-FeOOH納米棒構筑敏感界面研究其電化學分析行為,檢測結果表明α-FeOOHPb(II)的檢測靈敏度比β-FeOOH高約17倍。結合同步輻射XAFS技術和動力學模擬計算等手段闡明電化學分析過程中優勢晶相α-FeOOH納米棒的檢測信號增強機制。XAFS與紅外光譜(FT-IR)研究結果表明,與β-FeOOH相比,在α-FeOOH上發現了更多的表面羥基,這有助于對目標分析物Pb(II)的富集,而吸附在α-FeOOH上的Pb-O鍵較長,促進Pb(II)擴散到電極表面發生氧化還原反應,從而獲得增強的電化學信號。動力學過程模擬計算結果明確了α-和β-FeOOH對目標分析物的吸附速率與吸附容量是優勢晶相增強電化學敏感性能的決定因素。

該工作的研究發現一方面擴展了對不同晶相FeOOH結構的理解,為其表面原子排列模型提供了實驗依據;另一方面從原子層面上揭示了優勢晶相電化學分析行為的敏感增強新機制,為研究新型納米材料用于電化學分析檢測及對其他金屬氫氧化物納米材料的功能應用提供了有效的理論支持。

該研究工作得到了國家自然科學基金重點項目、博新計劃、中科院百人計劃、中國博士后面上項目的支持。

文章鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.201906830

 

1. 研究α-和β-FeOOH納米棒橫截面結構與晶體生長方向的TEM

 

2. 同步輻射XAFS技術、動力學模擬計算、紅外光譜等研究晶體結構、成鍵方式、鍵長、吸附動力學過程與FeOOH晶相依賴的電化學行為機制

(供稿:納米材料與環境檢測研究室)

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