北理工團隊在金屬氣凝膠領域取得進展
發(fā)布日期：2025-06-11 供稿：材料學院 攝影：材料學院
編輯：劉曉雪 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學杜然教授團隊和賀志遠教授課題組合作在金屬氣凝膠可控制備方面取得重要進展，相關成果以“Controlled synthesis of noble metal aerogels mediated by salts”為題在國際頂級期刊《Nat. Protoc.》發(fā)表（DOI: 10.1038/s41596-025-01185-1）。北京理工大學材料學院2022級博士生翁蓓蓓為第一作者，杜然教授、賀志遠教授為論文共同通訊作者。
貴金屬氣凝膠（NMAs）于2009年首次亮相，通常由金屬納米顆粒組裝而成，結合了納米結構金屬的物理化學特性（如高導電性、催化活性等）和氣凝膠的自支撐多孔結構，是一類備受關注的新型材料。NMAs在多個領域顯示出潛力，包括（電）催化、納米酶、傳感、自驅動和表面增強拉曼散射等。盡管前景廣闊，但NMAs受控合成仍具有挑戰(zhàn)性，因此很難實現(xiàn)高性能應用的目標設計。這主要源于金屬和傳統(tǒng)凝膠體系在溶膠-凝膠過程中存在巨大差異，NMAs的制備不能簡單套用其他凝膠體系的經(jīng)驗。
在過去數(shù)年間，課題組在NMAs領域進行了一系列原創(chuàng)性探索?；趯Σ煌N類鹽（如普通無機鹽、還原性鹽、貴金屬鹽、離子液體等）與金屬物種相互作用模式的理解，發(fā)展了多種鹽介導的可控制備方法（Sci. Adv. 2019, 5, eaaw4590., Nat. Commun. 2020, 11, 1590., Matter 2020, 2, 908-920., J. Mater. Chem. A 2021, 9, 17189-17197, Matter 2025, 8, 101905., Adv. Funct. Mater. 2025, 2504385），實現(xiàn)了NMAs化學組成、特征尺寸（從<5 nm="">到>100 nm）、元素分布的可控調節(jié)與快速制備。
首先，文中展示了以NH4F或NaBH4為引發(fā)劑、檸檬酸三鈉二水合物（NaCA）為配體制備金氣凝膠的整個過程和相應機制。1）通過還原相應的金屬鹽制備金屬NP溶液；2）通過添加普通鹽從NP溶液中制備NMH。選擇適當?shù)柠}類作為引發(fā)劑是該方法的核心。鹽的加入可以同時誘導鹽析效應和金屬NPs的融合，促進NPs定向組裝成結構可控的自支撐凝膠（圖1）。
圖1 貴金屬氣凝膠合成過程和基本機理。
NMA的特征尺寸是決定其性能的最重要參數(shù)之一。文中通過采用不同的鹽作為引發(fā)劑和引入不同的配體兩種途徑來調節(jié)Au氣凝膠的特征尺寸大小（圖2）。
圖2 Au氣凝膠特征尺寸調控。
通過設計投料方式，可以調整多組分NMA的元素分布。例如，通過先共還原和后引發(fā)制備的Au-Pd凝膠顯示出隨機分布的Au和Pd。相比之下，采用動態(tài)成殼法（dynamic shelling approach）則可獲得Au-Pd核殼結構氣凝膠（圖3）。
圖3 快速制備元素可控的Au-Pd氣凝膠。
NMA基電催化劑在提供具有高導電性和豐富活性位點的連續(xù)自支撐3D網(wǎng)絡方面具有優(yōu)勢，從而提供高活性和高穩(wěn)定性。文中以乙醇氧化反應為例指出NMA的優(yōu)異電催化性能（圖6）。
圖4 電催化乙醇氧化反應。
綜上，系統(tǒng)講述了鹽介導的NMAs制備方法與步驟，實現(xiàn)了在室溫下快速制備組成、特征尺寸、元素分布可調的多種NMAs，為這一新興材料的基礎與應用研究奠定了堅實基礎。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41596-025-01185-1
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