看過電影《終結者》系列,一定會對液態金屬終結者機器人T-1000印象深刻。T-1000可隨意變形、自我修復,搭配上極度智能的控制系統,幾乎就是終極武器般的存在。
在現實世界中,液態金屬也是一種引人注目的材料,在多個領域都有應用,例如:柔性電子器件、3D打印甚至藥物遞送(點擊閱讀相關:報道一、報道二、報道三、報道四)。最近,德國埃爾朗根-紐倫堡大學(FAU)的Peter Wasserscheid教授等人在Nature Chemistry 報道了他們的奇思妙想——將液態金屬用于催化化學反應。他們將液態金屬引入到傳統的負載型催化劑中,制備了液態Ga-Pd雙金屬催化劑來催化丁烷脫氫反應。這種新型的催化劑體現出不同于常規復雜性催化劑的物理化學性質,在丁烷脫氫反應中表現出很不錯的催化性能,耐積碳且相當穩定。
在這項工作中,他們利用能在室溫至2000 ℃都保持液態的Ga作為催化劑的“溶劑”,然后“溶解”具有催化活性的Pd,從而得到雙金屬合金。從下圖的相圖可以看到,在不同的Pd/Ga比以及不同的溫度下,合金的存在形式不同。在450 ℃左右以及少量的Pd摻雜的情況下,Ga和Pd呈現互溶的狀態。因此,在這個條件下,以Ga為主體的合金粒子會呈現液態。
作者選擇了多孔的玻璃作為惰性載體吸附金屬Ga。隨后通過原位置換的方法將Pd沉積到Ga粒子上,得到了Ga-Pd雙金屬粒子。從掃描電鏡(SEM)照片上可以看到(下圖),Ga-Pd粒子呈現非常寬的尺寸分布,有一些只有幾十納米而有一些粒子則是超過一微米。作為對比的是,以Pd為主體,摻雜一定量Ga的粒子一般都以固體形式存在(熔點較高),通常情況下是以納米粒子的形式負載在載體上。
為了考察Pd在液態粒子中的分布狀態,作者利用原位X射線光電子能譜(XPS)對不同溫度下Ga-Pd雙金屬粒子進行化學分析。如下圖所示,當溫度高于350 ℃時,粒子表面的化學組分和體相的組分是一致的,說明在高溫狀態下,整個液態金屬粒子呈現均勻的狀態。而當溫度降低時,表面Pd的含量逐漸降低。這可能是因為在較低溫度時,形成了相分離。上述XPS結果和Pd-Ga雙金屬合金的相圖相吻合。
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