電紡陶瓷納米纖維可作為催化劑的理想載體，但在制備過程中往往會受到晶粒快速生長的限制，從而失去其優越的性能。
東南大學代云茜教授課題組報告了一種由靜電紡絲法便捷制備TiO2和Al2O3混合物組成的熱穩定陶瓷納米纖維。在900℃高溫煅燒后，Al2O3/TiO2納米纖維平均晶粒尺寸僅為22.2 nm，銳鈦礦的含量高達47.1wt％。從微觀結構看，無定形Al2O3位于TiO2納米晶粒的晶界處，這顯著阻礙了相鄰TiO2納米晶粒之間的聚結。更有趣的是，Al2O3自發地遷移到纖維表面，從而自然形成了纖維表面的異質顆粒結構。當用作載體時，Al2O3/TiO2納米纖維通過利用保存良好的晶界和銳鈦礦相，提高了對Pt納米顆粒的粘附能。
此外，雙氧化物結構建立了Pt納米顆粒燒結團聚的動力學瓶頸，可防止Pt納米顆粒在載體表面的熱致遷移，進而彼此附著或融合。因此，當3 nm-Pt納米顆粒在載體表面的相鄰距離僅為4.56 nm時，仍能在高達500 ℃的燒結溫度下保持穩定。該抗燒結催化劑在高溫下對液相加氫和氣相氧化反應均顯示出高活性。這種高效且熱穩定的催化劑可進一步用于催化碳煙氧化，在尾氣排放控制中具有廣闊的應用前景。
相關成果以題為“Exceptionally thermal-stable Al2O3/TiO2 nanofibers by depressing surface-initiated grain growth as new supports for anti-sintering Pt nanoparticles”發表在Materials Today Nano期刊上。
圖1.（A-B）納米纖維的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，該納米纖維為5wt％Al2O3和95wt％TiO2（AT-5）的混合物在900℃的空氣中煅燒2小時制成，呈現出表面異質結結構。由AT-5納米纖維獲得的（C）全掃描、（D）O 1s、（E）Ti 2p和（F）Al 2p高分辨率X射線光電子能譜（XPS）圖。
圖2.（A）700 ℃下煅燒的原始TiO2納米纖維與Al2O3和TiO2的混合納米纖維透射電子顯微鏡（TEM）圖像，其中后者的Al2O3重量比分別為（B）5wt％（AT-5）、（C）15wt％（AT-15）和（D）30wt％（AT-30）。在高達900℃的高溫煅燒后，在（E）原始TiO2納米纖維中觀察到大晶粒組成的竹節結構，而（F）AT-5、（G）AT-15和（H）AT-30纖維呈現出更小的晶粒尺寸。
圖3.（A）900 ℃下煅燒的原始TiO2、AT-5、AT-15和AT-30納米纖維的X射線衍射（XRD）圖，以及（B）根據Scherrer公式計算得出的平均晶粒尺寸，以及相應的銳鈦礦質量分數與Al2O3/TiO2納米纖維中Al2O3含量的關系。
圖4.（A）原始TiO2、（B）AT-5、（C）AT-15和（D）AT-30納米纖維表面精細結構的TEM圖像。紅色虛線表示纖維表面相鄰TiO2晶粒的二面角。
圖5. 負載在（A）TiO2、（B）AT-5、（C）AT-15和（D）AT-30納米纖維表面的約3 nm-Pt納米顆粒的TEM圖像，以及（E）Pt納米粒子在系列載體表面的最鄰近距離與Al2O3含量的關系。黑色箭頭表示Al2O3納米顆粒。
圖6.負載在（A）原始TiO2、（B）AT-5、（C）AT-15和（D）AT-30納米纖維上的Pt納米粒子分別在空氣中煅燒至500℃后的TEM圖像。（E）在空氣中于500℃熱處理后，不同載體上負載的Pt納米顆粒的相應尺寸演變，通過ΔR（％）進行定量估算。
圖7.（A）35分鐘內，在AT-15納米纖維上負載的Pt納米粒子（Pt@AT-15）的催化下，對硝基苯酚向對氨基苯酚的轉化。（B）煅燒前與煅燒至500和600℃后，Pt@AT-15催化還原過程中對硝基苯酚的標準化濃度變化。（C）系列負載型催化劑歸一化至Pt濃度的反應速率常數（Kc）和熱處理溫度的關系圖。（D）在500℃焙燒后，負載的Pt納米顆粒的催化活性與相應的尺寸演變隨載體中Al2O3含量的變化。
圖8.（A）純Printex-U，以及AT-15納米纖維或Pt@AT-15催化材料與20wt％Printex-U的混合物在松散接觸模式下的TG和DTG曲線。（B）炭黑轉化曲線。（C）Pt@AT-15催化炭黑氧化后的TEM圖像以及相應的Pt納米顆粒直徑分布。
DOI:10.1016/j.mtnano.2020.100088
作者簡介
代云茜，四川隆昌人，東南大學化學化工學院教授（破格晉升），博士生、碩士生、本科生導師。入選江蘇省“六大高峰”高層次人才、江蘇省科協青年托舉工程、榮獲江蘇省優秀博士學位論文（導師孫岳明教授），入選東南大學優秀青年教師資助（A類）計劃。
2002年考入東南大學化工系，2006年保送至東南大學化學化工學院碩博連讀，2008–2010年在美國圣路易斯華盛頓大學Younan Xia教授課題組聯合培養。多次在Chem. Soc. Rev.、Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、J. Mater. Chem. A、ChemSusChem、ACS Appl. Mater. Interfaces等化學、材料類國際著名學術期刊發表論文，入選ESI高被引論文，被包括Nat. Nanotechnol.、Nat. Chem.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.等期刊引用千余次。擔任Nat. Comm.、Nano Lett.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces等30余種著名學術期刊審稿人。
主持國家自然科學基金2項、江蘇省自然科學基金面上項目1項，參與國家、省部級項目6項。曾受邀在美國西北太平洋國家實驗室、美國麻省理工學院、中科院過程所等高校院所講學，多次在國內外學術會議做邀請/口頭報告。致力于新能源、催化、環境領域中低維納米材料的構效關系及其表、界面效應的研究。
