納米金屬材料的案例
金屬所JACS封面：新型納米碳材料負載金屬催化劑重要進展！
日前，中科院金屬所催化材料研究部劉洪陽副研究員和博士研究生黃飛等人組成的納米碳材料負載金屬催化劑研究小組與北京大學馬丁教授合作，通過調控金屬鈀（Pd）原子與碳載體之間的相互作用，在納米金剛石/石墨烯碳載體上制備出原子級分散的單位點Pd催化劑，進一步的研發發現該催化劑在催化乙炔高效選擇性加氫應用中作用顯著。《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society, IF=14.7) 在線發表了該項研究成果（DOI：10.1021/jacs.8b07476），該工作并選為封面文章。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b07476
乙炔選擇性氫化是工業生產高分子聚合物過程中的重要反應之一。如何選擇性將乙炔加氫到乙烯，而避免乙烯進一步氫化到乙烷，是這一反應需要解決的主要問題。負載型Pd催化劑具有很高的乙炔加氫反應活性，但乙烯選擇性很低。目前工業上廣泛使用的加氫催化劑是經過適當修飾的Pd基催化劑，但仍然存在Pd的原子利用率較低等問題。因此，設計開發兼具高活性，高穩定性和經濟實用的加氫催化劑具有重要意義。
劉洪陽副研究員帶領的研究小組致力于新型納米碳材料負載金屬催化劑的研究。經過多年的學術積累，首次利用納米金剛石/石墨烯復合核殼材料（ND@G）為載體，制備出一種原子級分散高選擇性乙炔加氫Pd基催化劑（圖1）。
展開 國家納米中心唐智勇Adv. Mater. 綜述：磁圓二色譜在納米材料領域的應用:深入理解和調控激子和
在摻雜半導體納米晶體體系，MCD技術能夠直接測量Zeeman分裂的增強效應；對于貴金屬納米結構，MCD技術揭示了局域SPR的對稱性起源，以上為調控磁光效應奠定了基礎。然而，需要指出的是，盡管MCD具有重要的應用價值，由于缺乏及時的總結，目前研究人員對于MCD技術在納米體系中的應用仍缺乏廣泛的認知和理解。
【成果簡介】
磁性圓二色譜( MCD )在揭示材料電子態信息方面具有獨特優勢，為探索納米光學材料的結構和磁光特性之間的關系提供了新的機會。近日，國家納米中心的唐智勇教授（通訊作者）在Advanced Materials上發表文章，題為“Magnetic Circular Dichroism in Nanomaterials: New Opportunity in Understanding and Modulation of Excitonic and Plasmonic Resonances”。本文綜述了MCD技術在半導體和貴金屬納米材料中應用的代表性研究。MCD在闡明半導體納米晶體中的激子躍遷、貴金屬納米團簇中的電子躍遷以及貴金屬納米結構中的等離激元共振的結構信息方面具有不可取代的作用。憑借這些優勢，MCD技術在評估具有不同化學成分、幾何形狀、組裝構象和耦合效應的納米材料的激子和等離激元光學活性的磁調制方面顯示出無可匹敵的能力。了解利用MCD技術調控納米尺度磁光效應的關鍵因素將極大地促進半導體和貴金屬納米材料在傳感、自旋電子學、納米光子學等領域的應用。
展開 塊狀納米結構材料設計助力抗斷裂鋰金屬負極
【引言】
鋰金屬負極(LMA)的穩定性嚴重阻礙了其商業化。目前，研究人員已提出許多策略來提升LMA的穩定性，包括構筑3D主體、涂覆非原位保護膜、向電解質中加入添加劑以及制備具有高機械強度的凝膠和固態電解質等。但LMA保護是一項系統工程，尚無法徹底解決所有問題。塊狀納米結構材料(BNM)是一類具有精細納米結構的塊體材料。根據經驗Hall-Petch(H-P)方程，屈服應力與材料整體的強度和硬度相關，與晶粒尺寸的平方根成反比。因此，分離的晶粒使材料更堅固，疲勞耐久極限增強意味著在某些外部應力下斷裂的形成受到抑制。同時，BNM的離子傳輸特性同時顯著增加，因為質量傳遞沿晶界比在晶粒中更快地發生。研究表明，如果晶粒尺寸低于臨界尺寸，電極體積波動引起的應力可以自適應而不發生顆粒破裂。
【成果簡介】
近日，天津大學羅加嚴教授(通訊作者)等根據塊狀納米結構材料概念，通過冶金工藝設計了抗斷裂LMA，并在Adv. Mater.上發表了題為“Bulk Nanostructured Materials Design for Fracture-Resistant Lithium Metal Anodes”的研究論文。在塊狀納米結構Li(BNL)中，離子導電相存在于晶界處，促進了Li+傳輸。 BNL中精細的鋰晶粒尺寸和沉淀硬化提高了機械強度和耐疲勞性，減輕了不均勻分布的應力并防止電極粉碎。作者利用密度泛函理論研究鋰與各種氧化物之間的結合能，發現SiO2是篩選氧化物中最佳的添加劑。BNL具有91 %的鋰金屬理論容量。在具有BNL負極的全電池中，LiFePO4在10 C下具有90 mAh·g-1的容量，比具有鋰箔負極的全電池高出一個數量級。
展開 金屬所《Science》子刊：輕質高強度高穩定的無裂紋納米多孔鋁！
而GRR 制備的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料的密度低于大多數以前的納米多孔金屬；相比之下，納米多孔 Al-Al2O3 是通過脫合金制備的最強的納米多孔材料之一，在拉伸和壓縮下，盡管其結構尺寸比大多數納米多孔金屬粗。納米多孔 Al-Al2O3 的強度也明顯高于由純鋁和鋁基復合材料組成的密度相似的傳統泡沫。因此，納米多孔 Al-Al2O3 的比強度（強度密度比）高于以前的多孔金屬、多孔氧化鋁復合材料和納米多孔金屬。
圖4 納米多孔鋁強度與密度關系
總的來說，GRR制備的納米多孔Al-Al2O3復合材料（或具有天然氧化物殼的納米多孔Al）比具有相似密度的常規多孔金屬和多孔Al-氧化物復合材料更強。納米多孔Al-Al2O3復合材料也比通過脫合金制備的大多數納米多孔金屬更輕、更堅固、更穩定。
Al納米韌帶表面的天然氧化層是納米多孔Al-Al2O3復合材料具有優異熱穩定性的主要原因。
氧化層、韌帶尺寸和拓撲結構的綜合影響是這種材料具有高強度（和高比強度）的原因
。
預計輕質、堅固且穩定的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料將用于多種功能應用，例如高溫
等離子體激元
、微型熱交換器
以及電池和其他電化學裝置的電極
。
目前的研究還表明，
將結構尺寸細化到亞微米或納米尺度可能會大大提高多孔鋁或泡沫鋁在結構應用中的性能，
因為結構細化不僅引入了尺寸效應，而且還放大了鈍化氧化物對強度的影響
。
目前，納米多孔鋁基樣品的厚度受到離子液體中 GRR 緩慢速率的限制。
需要進一步的研究來開發更簡單、更
有效和更具成本效益的路線來制造
大規
模、高質量和
更具延展性的納米多孔鋁基材料，這對于實際應用至關重要。
展開 
金屬所盧磊《Scripta》：加工硬化差異對梯度納米材料的強化作用！
(GNS)金屬材料具有從納米到微米的空間梯度微觀結構，其具有優異的機械性能，如高強度、良好的延展性。
液態金屬:雖沒成為“終結者”，但我開拓了納米材料合成新方法呀！
【背景介紹】
液態金屬是指一種不定型金屬，液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物，液態金屬也是一種不定型、可流動液體的金屬。室溫液態金屬具有許多有趣的表面和體積特性，使他們廣泛用于包括柔性電子器件和微流體等各種工程應用中。鎵基共晶合金如EGaIn（含鎵和銦），鎵銦錫合金在室溫下為液體，無毒，并且是以金屬鍵結合在一起。與分子和離子液體不同，液態金屬很少用作反應溶劑。
【成果簡介】
北京時間2017年10月20日，Science在線發表了皇家墨爾本理工大學Kourosh Kalantar-zadeh、Torben Daeneke（共同通訊）團隊題為“A liquid metal reaction environment for the room-temperature synthesis of atomically thin metal oxides”的文章。文章指出雖然二維（2D）氧化物在電子和其他技術中具有廣泛的應用，但是許多氧化物通過常規方法不容易合成2D材料。該團隊使用無毒的共晶鎵基合金作為反應溶劑，并將合金化的所需金屬加入到熔體中。在熱力學角度上，預測了自限界面氧化物的組成。同時，無論是在基底上還是在懸浮液中都將表面氧化物作為2D層分離，實驗發現其能夠產生出非常薄的亞納米級的HfO2，Al2O3和Gd2O3。基于液態金屬的反應路線可以用于產生以前不能用常規方法獲得的2D材料，將室溫液態金屬作為低維度氧化物納米材料合成的反應環境為獲取2D材料的方法又添一利器。
展開 中國科大揭示金屬納米催化劑尺寸效應
金屬納米顆粒的尺寸效應對負載型金屬納米材料的催化活性和選擇性有重要影響。從幾何結構上看，隨著金屬顆粒尺寸的減小，低配位原子逐步暴露且比例漸漸升高，顯著改變催化材料活性中心的結構和比例。從電子結構上看，金屬顆粒的電子能級也因量子尺寸效應發生顯著改變，極大地影響催化材料和反應物之間的軌道雜化和電荷轉移。由于金屬納米催化顆粒的幾何結構和電子結構隨其尺寸同步改變，使得人們無法有效區分兩種結構效應對催化反應活性、選擇性的貢獻以及對尺寸的依賴關系。如何揭示金屬催化劑尺寸效應的內在本質，打破幾何結構效應和電子結構效應與顆粒尺寸的強關聯性，進而優化設計性能更好的催化劑，是目前多相催化領域的一大挑戰。
針對這一問題，中國科學技術大學教授路軍嶺課題組和李微雪課題組展開實驗和理論合作研究，首次揭示了金屬納米催化劑中幾何效應和電子效應各自對催化反應隨尺寸變化的調變規律，創造性地提出一種拆分剝離金屬顆粒幾何效應和電子效應的策略——金屬納米顆粒的“氧化物選擇性包裹”。在具有重要應用背景的Pd催化苯甲醇選擇性氧化到苯甲醛反應中，實現了高活性和高選擇性轉化。相關研究結果以Disentangling the size-dependent geometric and electronic effects of palladium nanocatalysts beyond selectivity 為題，發表在國際期刊《科學進展》上（Science Advances,2019, 5, eaat6413）。
論文鏈接：
http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaat6413
醛類化合物是合成精細化學品的關鍵中間體。醇選擇性氧化制醛是重要的基本化工過程。
展開 馬里蘭大學王育煌SMALL：無損溶解超長金屬性碳納米管，助力高性能柔性電子材料
3.2微米長碳納米管在0% （e），50%（f），100%（g）以及回到0%（h）應力后的SEM圖像
圖5 長短兩種碳管可用于不同應用
(a)柔性可穿戴設備示意圖
(b)隨著手指彎曲-伸展運動，長碳納米管和短碳納米管薄膜的電流變化
長碳納米管薄膜導電性不受手指運動的影響，因此可以提供穩定電流輸出(c,e)；短碳納米管薄膜則表現出明顯電流表化，因此可以應用于應力傳感器(d,f)。
【小結】
此研究制備的超長金屬性碳納米管水溶液，可應用于柔性透明電子材料中。由于碳納米管長度的增加，其所制備薄膜的宏觀導電性以及可拉伸穩定性均有顯著提高，從而可以提升柔性電子材料性能與壽命。本工作不僅為展示了一種溶解超長碳納米管的方法，改變了依賴于超聲溶解納米碳材料的歷史，同時為今后的柔性電子設備的材料選擇提供了清晰的思路。
論文連接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/smll.201802625。
展開 2024年-深圳國際納米材料及微納制造展會
參展范圍：
納米新材料：納米碳納米材料（石墨烯、富勒烯、碳納米管），納米金屬及其氧化物材料（納米金、納米銀、納米氧化鋁、納米氧化鐵等），納米粉體材料，納米微球，納米涂層，納米陶瓷，納米復合材料，納米生物材料，納米光學材料，氮化鎵襯底材料等。
分析與檢測：光學顯微鏡，SPM，AFM，LSI測試探測器，超精確度測量儀器，設計工具，模擬，電子顯微鏡(SEM，TEM)，分子設計軟件，壓力平臺，探針，電爐，白光干涉儀，橢偏儀，ZETA電位分析，實驗室粉體制備與檢測儀器（激光粒度儀，顆粒計數器等）。
微納制造：納米研磨設備(干濕法研磨、臥式砂磨機、珠式砂磨機、三棍研磨機），納米微粒混合物，分散技術，薄膜制造技術，蝕刻，離子束激光處理器，電子束處理，填裝充電處理，微電路制造，超精度表面加工技術，融合接合技術，下一代光刻技術，納米壓印技術，飛秒激光曝光設備，MEMS、噴墨機，NEMS，傳感器，納米電子，光電，射流，模型，WCM。
納米防疫展區：納米生物與醫藥、生物傳感器，納米生物材料，靶向藥物釋放，熒光標記、納米診斷試劑、納米診斷設備、納米醫藥，納米抗菌與消毒、RNA、納米探針、人工心臟等。
納米環保清潔：光觸媒、納米抗菌消毒、HVAC系統、凈化設備、納米空氣凈化與水處理技術、空氣凈化器、空氣過濾器、水處理探測與處理設備、新型環境治理技術、PM2.5預防設備和耗材等。
石墨烯薄膜、氧化石墨烯溶液、石墨烯粉體設備、石墨烯薄膜生長CVD設備等。
展開 吃了納米材料的混凝土，會變成什么樣？
隨著工程結構各方面的發展因素和混凝土材料界的迅速擴大，人們對混凝土結構材料的要求在不斷地提高。具有諸多獨特效應的納米材料摻入混凝土中可改善混凝土的力學韌性、智能傳感、抗滲耐久等性能。納米技術將打破了傳統混凝土的局限，給混凝土材料帶來了嶄新的生命力。
1 納米金屬（氧化物）在水泥混凝土中的應用
擁有巨大的比表面積及界面結構的納米金屬（氧化物）對外界環境十分敏感。這些特性使納米金屬（氧化物）能成為應用于傳感、電化學、氣體吸附、光催化等方面的填充涂層材料，進而應用于某些特殊工程以及有特殊要求的混凝土工程，譬如智能混凝土和環保混凝土等。
納米 TiO2 具有良好的半導體及光催化特性，可噴涂在混凝土路面表層，進而可吸收空氣中的氮氧化物 NOX、硫化物；涂覆在混凝土墻面，降解墻壁室內有機涂料中的甲醛。事實上，擁有光催化相應的半導體材料很多，但是從產品成本、光催化效率和健康環保等角度考慮，目前最佳的還是銳鈦礦型納米 TiO2。納米 TiO2 除了使混凝土擁有光催化功能，還能對混凝土的微觀結構、抗滲耐久性、耐磨耗等物理性能產生積極的影響。
納米TiO2結構圖
納米 Al2O3 作為活性填料填充到水泥混凝土中時，能充當水泥水化模板，有效參與水泥的水化過程，使水泥混凝土結構更加緊湊，進而不僅可有效減少有害硬化混凝土孔隙結構，最終提升相應混凝土的機械力學性能。同時作為多孔性耐熱材料，有效改善鋁酸鹽水泥基體的體積熱容、熱導率和熱膨脹系數等儲熱性能，進而可有效用于太陽能熱發電系統中的儲熱環節。
展開 材料頂刊《Materials Today》：一種新的納米晶合金設計和結構調控概念！
主要從事先進金屬材料的研究工作。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
《先進材料》國家納米科學中心專題綜述：抗菌碳納米材料的新進展
近日，國家納米科學中心的宮建茹課題組在國際知名期刊Advanced Materials上發表了抗菌碳納米材料的專題綜述“Antibacterial Carbon-Based Nanomaterials”（Adv. Mater. 2018, 1804838），系統地介紹了該研究方向近年來的重要進展。
目前，由于細菌耐藥性的廣泛出現和迅速傳播，現有的可對抗耐藥性細菌的抗生素種類極其有限，新型抗生素的開發進度緩慢，細菌感染再次被列為影響全球人類健康的重要因素之一。與傳統的抗生素不同，納米材料具有較強的跨膜能力、抑制外排泵的功能和不易誘發細菌耐藥性的特點，有望成為一種新型抗生素替代品。其中，碳納米材料具有高效的抗菌活性、良好的生物相容性和環境友好等特征，展現出巨大的抗菌應用潛力。據此，該綜述系統介紹了碳納米材料的重要理化性質，主要抗菌機制，其理化因素與抗菌機理的密切關聯，以及發展抗菌碳納米材料的挑戰和前景。
碳納米材料的主要理化性質及其抗菌機制
碳納米材料能夠通過多種機制實現抗菌或殺菌作用，其中包括：細菌細胞壁/細胞膜的機械性損傷、細菌的氧化應激（活性氧依賴和活性氧不依賴兩種）、光熱和光催化效應（如利用具有良好光催化性能的氮化碳納米材料，Nano Lett. 2018, 18, 5954）、脂質抽提、細菌代謝抑制、包裹隔離及其協同作用。此外，這些作用機制和碳納米材料的理化性質密切相關，如碳納米材料的維度決定了與細菌的作用方式，進而可能影響其主要的抗菌作用機制。文章討論了零維的富勒烯、納米金剛石、碳點和石墨烯量子點，一維的單壁碳管和多壁碳管，二維的碳化氮、石墨烯及其衍生物的抗菌活性和抗菌機制。除維度外，碳納米材料的尺寸、形狀、片層數及表面功能化等方面的理化性質也與其抗菌活性息息相關。例如，石墨烯量子點經不同手性氨基酸功能化后表現出明顯不同的抗菌活性。
展開 中科院沈陽金屬所&美國布朗大學今日Science：梯度納米孿晶金屬強度和硬度的同步增強
【引言】
梯度結構普遍存在于天然材料中，如骨頭、貝殼和樹木。微結構梯度正越來越多地被引入到各種工程材料中，通過不同于無梯度對等體的變形機制，為材料提供更高的強度、硬度、加工硬化、延展性和抗疲勞性。然而，理解包括工程材料在內的所有梯度結構中與結構梯度相關的力學行為一直是一項挑戰。
盡管結構梯度的控制對于獲得優化的機械性能至關重要，但是現有的制造方法限制了塊體梯度材料。例如，表面加工和機械處理會產生僅位于表面附近的有限的梯度層，或者產生沿梯度方向可忽略的結構梯度。所有這些都限制了我們調控機械性能和理解梯度結構金屬變形機制的能力。
【成果簡介】
今日，來自美國布朗大學的Huajian Gao和中科院沈陽金屬所的盧磊研究員（共同通訊）聯合在Science上發文，題為“Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals”。作者研究了純銅中具有高度可調結構梯度的梯度納米孿晶結構的機械性能。較大的結構梯度允許優異的硬度和強度，機械性能優于梯度結構中的任一組分。作者通過系統實驗和原子模擬發現，這種不尋常的行為是由晶粒內部超高密度位錯的獨特圖案提供的。這些觀察結果不僅揭示了梯度結構，也可能為通過梯度設計改善材料的機械性能指明了一條有希望的途徑。
【圖文導讀】
圖1.
展開 香港大學AFM綜述：溶液處理的金屬氧化物納米晶作為有機和鈣鈦礦太陽能電池的載體傳輸層
1)制備具有良好設計的尺寸和形貌的金屬氧化物納米材料是在各種應用中的重要挑戰，尤其是在光伏應用中。當材料尺寸減小到納米級時，它們表現出獨特的性能，這與它們的塊體對應材料不同。這種特性使得納米材料對獨特的應用具有吸引力，同時也使其合成變得復雜。盡管各種技術已經被應用于金屬氧化物納米晶體的合成，但它仍然需要根據其應用開發新的合成方法。此外，為了控制MONCs的尺寸和形貌，需要更好地理解新合成方法的形成機理和反應條件的控制。
2)用于穩定金屬氧化物納米晶體的表面配體需要滿足溶液加工性和電荷傳輸方面的需求。具有長烴鏈的配體是絕緣的，例如乙二醇，這限制了它們作為CTLs的應用。因此，科研人員已經提出了許多配體交換策略，包括與較小分子的配體交換、可熱降解配體或金屬硫族化合物絡合物，以解決這個問題。在配體交換策略上的更多的努力有助于在CTL應用中實現氧化物納米晶體。因此，科研人員仍然迫切需要開發有效的方法來同時改善金屬氧化物納米晶體在溶液中的加工性能和相應薄膜的電荷傳輸。
3)良好的CTLs需要良好的成膜性能，以確保盡可能均勻的覆蓋。此外，位于活性層頂部的CTLs報道有限。因為它是與濕度和氧氣接觸的層，也是與活性層接觸的層，所以它對化學降解的抵抗力以及保證穩定的電子界面是必要的。復合材料/復合層可以被認為是應對這一問題的有效策略，沿著這些思路的進一步研究將有助于提高效率和穩定性。
總的來說，作者認為基于氧化物的CTLs對OSCs和PVSCs都非常有利，主要是因為它們具有極高的穩定性、良好的電性能和潛在的透明性。對大量新型氧化物基CTLs的不斷探索對其在新興光電器件中的實際應用非常重要，這些新型CTLs可以保證高效率、高穩定性、低成本和大面積良好的成膜性能。
展開 梯度納米晶材料的本構建模及微結構調控
強度和韌性是衡量材料性能的兩個重要標準，高強度材料抵抗應力的能力很好，而高韌性意味著材料能承受更多的塑性變形。但是，強度和韌性通常無法兼顧，超強材料往往容易發生應力集中，從而導致韌性很差，容易斷裂。近年來，能夠很好協調強度和韌性的梯度結構材料逐漸興起，并且成為研究熱點，具有很好的應用前景。
梯度結構材料在自然界中就普遍存在，例如：竹子和貝殼就是典型的梯度材料，人類和動物的骨骼也具有梯度結構的特征。根據不同的材料變形機理和制備工藝，梯度結構被越來越多地應用到工程材料中，比如通過在內部引入不同的梯度微結構（梯度晶粒結構、梯度孿晶結構、梯度位錯結構、梯度相變結構等），使材料具備更高的強度、硬度、加工硬化能力、延展性和抗疲勞性能。經過多年發展，目前制備梯度結構材料的方法已經十分豐富，比如表面研磨、表面碾磨、物理或化學沉積、激光沖擊等。
為了更好地發展和應用梯度結構材料，需要預測不同梯度結構材料的力學性能，從而進行優化調整。因此，深入理解梯度結構材料的強韌性機理、微結構演化與宏觀力學響應的關聯，進而建立描述梯度結構材料變形行為的本構模型，成為亟待解決的關鍵問題。
圖1 不同的梯度微結構示意圖。（來源：盧柯. 梯度納米結構材料，金屬學報 51（2015）1-10）
在國家自然科學基金項目《梯度納米晶粒/孿晶材料的本構建模及微結構設計》（項目編號：1167020206）的資助下，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團隊合作開展研究，論文第一作者陸曉翀針對2011年中科院金屬所盧柯院士團隊在《Science》上報道的梯度納米晶粒材料，建立了基于復雜位錯演化機制的尺寸相關晶體塑性本構模型，并引入了晶粒長大機制和損傷演化模型。
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