当金属小将们都穿上“盔甲”
2019/2/11 7:30:00张超 中科院之声
在日常生活中，铁、铜、金、银等金属是很稳定的，在正常的环境中放置很长的时间，也不会发生太大的变化。但是，如果我们把这些金属缩小到纳米尺度，那么，这些“金属小将”们可就不那么安分了，在纳米尺度下的他们，性质会发生极大的改变。
比如铁，当铁达到纳米尺度时，若直接暴露在空气中，就可能会发生自燃甚至爆炸；还有金，当金达到纳米尺度时，即使在室温下，也有可能与空气或者水发生化学反应。
(图片来自网络)
那如何才能保护这些“金属小将”们呢？我们知道，在古代，士兵在作战时都会穿上一身坚固的盔甲，以保护自己在作战时免受敌人的伤害，同时这身盔甲还不能影响士兵的行动，减弱士兵的战斗力。
(图片来自网络)
因此，是否可以为这些纳米材料像古代的士兵一样穿上一件坚固的“盔甲”，在保护自己的同时，也能发挥出自己巨大的作用呢？
答案是肯定的。
目前，科学家已经为这些活泼的“金属小将”——金属纳米颗粒设计出不同的“盔甲”，比如氧化硅、聚合物、石墨化碳、二硫化钼等等。而其中，石墨化碳由于其极高的稳定性，易于合成及控制，而得到科学家越来越多的“青睐”。
这种穿上石墨化碳“盔甲”的金属纳米颗粒就具有了比单纯纳米颗粒更好的性能，如表面易功能化、抗氧化、抗酸碱腐蚀、不容易团聚等，被广泛应用于能源储存、磁性数据存储、催化、生物工程等领域。
举个例子，在催化领域，通常金属铂、钯、金纳米颗粒等催化剂，一般在高温高压、强酸强碱的环境下进行催化反应，极易引起催化剂的溶解和团聚，让催化剂失去活性。但是，如果为这些金属纳米颗粒包裹一层碳，就可以为其提供有效的保护，减少团聚以及自身的溶解，从而改善其催化性能。
再比如，在锂电池电极材料领域，通常的金属基电极材料在充放电过程中，体积会出现极大的膨胀，极易引起材料结构的崩塌，引起电池稳定性的下降，而如果为它们包裹一层碳，不仅可以增强电极的导电性，同时可以有效抑制电极材料的体积膨胀，提高电池的稳定性。
图1 碳包覆金属纳米颗粒
但是，在为金属纳米颗粒穿上石墨化碳这件“盔甲”时，传统的方法主要是运用高温碳化法、水热法、溶剂热法、电弧放电法等，然而这些方法的可控性差、成本高，因此开发出一种简单有效的合成方法具有重要的意义。
中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所液相激光加工与制备实验室自建组以来，一直聚焦于利用“液相激光技术”来研究极端及温和条件下纳米晶生长与物理化学性能探索的研究工作。
液相激光技术，是一种简单、快捷、环境友好的纳米材料合成手段，因其极端的热力学条件(> 1 GPa，> 5000 K)以及快速淬灭的非平衡动力学过程，在获得独特的纳米材料和纳米结构方面具有重要意义。
图2 液相激光熔蚀技术的简要示意图
近期，该小组利用液相激光熔蚀技术，以丙酮为有机溶剂，选择不同金属(M=Cu, Ag, Au, Pd, Pt, Ti, V, Nb, Cr, Mo, W, Ni, Zr, Mn, Fe和Zn等)靶材，根据金属与氧的亲和力，以及碳在金属中溶解度的不同，成功制备出了一系列碳包覆金属单质(M@C)、碳包覆金属碳化物(MCx@C)以及碳包覆金属氧化物(MOy@C)。
图3 各种碳包覆金属纳米颗粒的电镜照片
此外，在研究激光熔蚀产物表面的碳层时发现，碳层的结晶度与熔蚀的金属靶材有关，且熔蚀过程的二次辐照也会对碳层的结晶度产生重要影响。
该项研究成果对于制备碳包覆金属纳米颗粒以及理解其形成机理提供了重要参考，同时对于拓展碳包覆金属纳米颗粒在能源、催化、生物等领域的应用具有一定的意义。
来源：中国科学院合肥物质科学研究院
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