第一作者：张志成、刘贵高
通讯作者：张华
第一单位：南洋理工大学（新加坡）
近年来，合理设计及合成具有复杂结构和特殊功能的各向异性三维（3D）纳米结构引起了研究者广泛的兴趣。精准控制三维纳米材料的空间组成，形貌，表面结构以及晶相极大地促进了其应用的多样化。迄今为止，研究者发展了一系列策略以制备各向异性三维纳米结构，包括种子介导生长法，氧化蚀刻法，构建模块自组装法以及位点选择性生长法。然而，针对具体应用来制备具有预期化学组成，表面结构和晶相的各向异性3D纳米结构仍具有极大的挑战。
最近，各向异性Pt基纳米材料因其独特结构特点而普遍展现出特有的物理与化学性质，在电催化能源转化领域展具有广阔的应用前景。为了提高Pt基各向异性纳米材料的电催化活性，研究者发展了各种方法，包括Pt与过渡金属的合金化，Pt基合金的晶相调控，Pt基纳米结构的形貌控制以及Pt基复合纳米材料的构筑。其中，制备富Pt表面或非常规晶相的各向异性3D Pt基纳米结构对于改善其电催化活性尤为有效。例如，已报道的具有富Pt表面的Pt-Ni纳米框架以及密排六方（hcp）相Pt-Ni枝状纳米晶在碱性条件下的电催化析氢反应（HER）中都展现出了非常优异的活性。因此，合理设计及合成同时具有富Pt表面以及非常规晶相的新型各向异性3D结构以进一步提高其HER性能显得至关重要。
有鉴于此，南洋理工大学张华教授课题组采用了简易的一锅溶剂热方法首次合成了高度结晶化的莲蓬状Pt-Ni各向异性超结构（Pt-Ni ASs）。
图1. 材料电镜表征
这种超结构是由一个具有面心立方（fcc）相的富Ni“核”，几个具有hcp相的富Ni“臂”，以及在“臂”的终端面上选择性外延生长具有fcc相的小尺寸富Pt“莲子”组成，在组成元素以及晶体结构上呈现出高度的空间异质性。通过对这种超结构的生长机理进行研究，作者发现在反应中首先形成富含Ni的多面体纳米颗粒，然后在这种多面体上通过晶面选择性生长得到枝状纳米结构。
与此同时，通过所得Ni分枝纳米结构与溶液中Pt前驱体之间的置换取代反应以及随后的Pt、Ni原子的晶面选择性沉积，最终形成Pt-Ni ASs。值得一提的是，Pt-Ni ASs的整个表面几个原子层厚度富含Pt原子，有利于增强其电催化HER的性能。在碱性条件下，Pt-Ni ASs展现了比商业Pt/C以及以往所报道的绝大多数电催化剂更加优异的HER活性和稳定性。当电流密度为10 mA cm-2时，该材料的显示的过电位仅为27.7 mV，在过电位为50 mV时，其TOF值高达18.63 H2 s-1。并且经过10000次电化学循环测试之后，材料的活性也没有表现出明显的衰减。这项工作为合成具有空间异质性的高度各向异性超结构提供了新的合成策略，并为其在催化反应中的广泛应用提供了重要基础。
图2. 材料谱学表征
图3. 在不同反应时间获得的产物的HAADF-STEM图像
图4. 电化学性能
课题组简介：
张华教授，现任新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院教授，从事纳米材料的非常规相以及晶相调控、可控外延生长的异质结、二维纳米材料、碳材料等的可控制备，及其在催化、清洁能源、生物传感、光电器件、水处理等方向的应用。影响因子大于10的191篇；总引用次数超过48100次，H指数109；是Chem. Soc. Rev.、ACS Nano、Chem. Mater.、Small、Nanoscale Horizons、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanocsale、Carbon、Energy Storage Materials、Science China Materials等杂志编委或顾问编委。
课题组主页：http://www.ntu.edu.sg/home/hzhang/#opennewwindow
