铋纳米晶的形状可控合成与自组装研究
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时间：2025年05月19日
来源：Applied Materials Today 7.2
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非贵金属纳米晶（NCs）尺寸和形貌精确控制难制约应用。本研究通过反应热力学调控，用含 Cl?、Br?表面活性剂，实现铋（Bi）NCs 球形 / 非球形（三角纳米板、纳米棒）可控合成，其可自组装成 2D/3D 超晶格，为构效关系研究提供平台。
在纳米材料的广阔研究领域中，金属纳米晶（NCs）因其独特的物理化学性质，在催化、电子、能源存储等多个关键领域展现出巨大的应用潜力。然而，非贵金属纳米晶的发展却面临着一道棘手的难题 —— 如何精准调控其尺寸和形貌以合成高质量的纳米结构。这一挑战就像一堵高墙，阻碍着科研人员深入探索非贵金属纳米晶的更多可能性，也限制了它们在工业应用中的广泛推广。
为了突破这一困境，研究人员将目光聚焦于铋（Bi）这一具有化学稳定性、丰富储量且无毒的非贵金属。针对铋纳米晶系统形貌控制研究较少的现状，国内研究人员开展了铋纳米晶形状可控合成及自组装的相关研究。该研究成果发表在《Applied Materials Today》上，为非贵金属纳米晶的研究开辟了新的路径。
研究人员采用六羰基钨（W (CO)?）辅助还原法，通过调控反应热力学，成功合成了 0D 球形纳米颗粒、1D 纳米棒和 2D 三角纳米板。此研究的关键技术方法包括：一是通过改变注射温度（160/200℃）调控纳米晶生长；二是利用含不同卤离子（Cl?和 Br?）的表面活性剂（CTAC/CTAB）选择性吸附于特定晶面，实现形貌调控；三是通过密度泛函理论（DFT）计算模拟各向异性纳米晶的形成机制；四是观察纳米晶在不同溶剂中的自组装行为。
结果与讨论
通过调整注射温度和表面活性剂类型，研究人员实现了铋纳米晶形貌的精准控制。当在 160℃注入含 CTAC 的前驱体溶液时，得到了球形纳米颗粒；而在 200℃使用 CTAB 时，成功制备出三角纳米板和纳米棒。密度泛函理论计算表明，Cl?/Br?与 Bi 原子的相互作用和电子转移决定了纳米晶的生长方向和暴露晶面，例如 Br?更易吸附于特定晶面，促进纳米棒的各向异性生长。
此外，非球形铋纳米晶可自发自组装形成二维和三维超晶格。研究发现，组装结构的堆积方式由纳米晶的几何形状和分散溶剂的性质共同决定。例如，三角纳米板在极性溶剂中倾向于形成紧密排列的二维层状结构，而纳米棒在非极性溶剂中则能组装成三维柱状超晶格。
结论
该研究开发了一种高效合成单分散铋纳米晶的方法，实现了 0D 纳米球、2D 三角纳米板和 1D 纳米棒的形貌可调。卤离子对特定晶面的选择性吸附是形貌控制的关键机制，这一策略为非贵金属纳米晶的形状调控提供了新的思路。高质量的各向异性铋纳米晶作为构建单元，其自组装形成的长程有序超晶格结构，为深入研究纳米晶的结构 - 性能关系奠定了基础，在催化、能源存储和纳米器件等领域具有广阔的应用前景。该工作不仅丰富了铋纳米材料的合成方法，也为非贵金属纳米晶的工业应用提供了重要的理论和实验依据。
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