大连化物所傅强研究员团队JACS Au | 金属-氧化物相互作用调控金属纳米团簇阵列的构建

英文原题：Periodic Arrays of Metal Nanoclusters on Ultrathin Fe Oxide Films Modulated by Metal-Oxide Interaction

通讯作者：傅强 (中国科学院大连化学物理研究所), 宁艳晓 (中国科学院大连化学物理研究所)

作者：Xuda Luo (罗序达), Xiaoyuan Sun (孙晓缘), Zhiyu Yi (易治宇), Le Lin (林乐), Yanxiao Ning* (宁艳晓), Qiang Fu* (傅强), Xinhe Bao (包信和)

担载纳米团簇在许多催化反应中表现出高活性、高选择性以及高原子利用率，因而得到了广泛关注，但是金属团簇催化剂的可控制备及其在反应中的稳定仍然存在挑战。研究表明，金属-氧化物相互作用能够有效提高负载金属纳米团簇的稳定性与活性，而载体氧化物的表面状态包括晶面取向、表面缺陷、表面基团等可以对金属-氧化物相互作用进行有效调控。尽管人们在该方向已经取得了一定的进展，但是在原子尺度上对金属-氧化物相互作用和界面键合机制依旧缺乏深入理解。

近日，中科院大连化学物理研究所傅强研究员团队发现在FeO/Pt(111)和FeO2-x/Pt(111)薄膜（图1）上能够构建结构规整的Cu单原子和纳米团簇，对Cu纳米结构的选择性落位以及热稳定性分析，发现表面氧活性决定了Cu原子与氧化物的作用强度。进一步利用表面氧的p带中心来描述表面氧的活性，与Cu在氧化物上的吸附能进行关联，提出表面氧的p带中心可以作为金属-氧化物相互作用的定量描述符。

图 1. FeOx/Pt(111)表面的原子分辨图像和模型结构图：(a)-(b) FeO/Pt(111)；(c)-(d) FeO2-x/Pt(111)。

在FeO/Pt(111)与FeO2-x/Pt(111)薄膜表面上100 K条件下沉积Cu，扫描隧道显微镜（STM）表征发现形成了有序的Cu单原子以及纳米团簇阵列结构，且Cu选择性落位在FeO的FCC区域和FeO2-FCC区域。而室温下在FeO薄膜上沉积的Cu会形成团聚的线状结构，在FeO2-x薄膜上沉积的Cu依然能够形成高分散和有序的团簇结构并落位于FeO2-FCC区域，说明了FeO2-x薄膜上的Cu具有更高的稳定性（图2）。

图 2. 不同温度下在FeOx薄膜表面上沉积 0.05 ML Cu的表面STM图像：(a)-(b) FeO/Pt(111)，100 K；(c)-(d) FeO2-x/Pt(111)，100 K；(e) FeO/Pt(111)，室温；(f) FeO2-x/Pt(111)，室温。

密度泛函理论（DFT）计算表明FeOx薄膜的不同畴区对Cu原子的吸附强度顺序为：FeO2-FCC > FeO-FCC > FeO-HCP > FeO-TOP，这解释了Cu纳米结构的选择性落位以及FeO2-x薄膜上Cu团簇更高的稳定性。计算表明吸附强度的顺序与表面氧的p带中心相关，p带中心越接近费米能级，费米能级附近的态密度（DOS）分布越丰富，表面氧的活性更高，从而对Cu原子的吸附更强（图3）。

图 3. (a) FeOx不同畴区上Cu原子的稳定吸附结构。(b) FeOx不同畴区上的Cu原子吸附能。(c) FeOx不同畴区表面氧的p轨道态密度分布以及p带中心位置。

这一结果以“Periodic Arrays of Metal Nanoclusters on Ultrathin Fe Oxide Films Modulated by Metal-Oxide Interaction”为题发表在JACS Au上。该工作的第一作者为大连化物所的博士研究生罗序达，通讯作者为大连化物所的傅强研究员和宁艳晓副研究员。该研究获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金和兴辽人才计划等项目的资助。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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