近期，中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所研究員黃行九課題組博士後楊猛與副研究員林楚紅合作，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並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 雜誌接收發表。
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https://doi.org/10.1002/smll.201906830
金屬氫氧化物納米材料由於其優異的催化性質而被廣泛應用於能源和環境領域。儘管已有報導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，由於催化反應體系複雜，影響其電催化性質的因素眾多，對於金屬氫氧化物納米材料晶相依賴的電化學行為背後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，對於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係對於設計有效的敏感介面具有重要指導意義。
圖1. 研究α-和β-FeOOH納米棒橫截面結構與晶體生長方向的TEM圖
基於上述問題，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。然後，利用α-和β-FeOOH納米棒構築敏感介面研究其電化學分析行為，檢測結果表明α-FeOOH對Pb(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，這有助於對目標分析物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。
圖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
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於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。該研究工作得到國家自然科學基金重點項目、博新計劃、中國博士後面上項目等的支持。（來源： 合肥物質科學研究院）