In-situ growth of heterophase Ni nanocrystals on graphene for enhanced catalytic reduction of 4-nitrophenol

材料科学 纳米晶 石墨烯 化学工程 催化作用 贵金属 纳米材料 金属 异质结 吸附 纳米技术 物理化学 冶金 化学 工程类 生物化学 光电子学
作者
Jiahao Zhuang,Feng He,Xianglin Liu,Pengchao Si,Fangna Gu,Jing Xu,Yu Wang,Guangwen Xu,Ziyi Zhong,Fabing Su
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:15 (2): 1230-1237 被引量:26
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3630-6
摘要

Generating heterophase structures in nanomaterials, e.g., heterophase metal nanocrystals, is an effective way to tune their physicochemical properties because of their high-energy nature and unique electronic environment of the generated interfaces. However, the direct synthesis of heterophase metal nanocrystals remains a great challenge due to their unstable nature. Herein, we report the in situ and direct synthesis of heterophase Ni nanocrystals on graphene. The heterostructure of face-centered cubic (fcc) and hexagonal close-packed (hcp) phase was generated via the epitaxial growth of hcp Ni and the partial transformation of fcc Ni and stabilized by the anchoring effect of graphene toward fcc Ni nanocrystal and the preferential adsorption of surfactant polyethylenimine (PEI) toward epitaxial hcp Ni. Comparing with the fcc Ni nanocrystals grown on graphene, the heterophase (fcc/hcp) Ni nanocrystals in situ grown on graphene showed a greatly improved catalytic activity and reusability in 4-nitrophenol (4-NP) reduction to 4-aminophenol (4-AP). The measured apparent rate constant and the activity parameter were 2.958 min−1 and 102 min−1·mg−1, respectively, higher than that of the best reported non-noble metal catalysts and most noble metal catalysts. The control experiments and density functional theory calculations reveal that the interface of the fcc and hcp phases enhances the adsorption of substrate 4-NP and thus facilitates the reaction kinetics. This work proves the novel idea for the rational design of heterophase metal nanocrystals by employing the synergistic effect of surfactant and support, and also the potential of creating the heterostructure for enhancing their catalytic reactivity.
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