近日，合肥工业大学材料学院宋晓辉副教授团队在层级纳米异质结构可控制备与原位表征领域取得新进展。研究提出一种绕过晶格匹配限制的非外延生长新范式，利用实时液相透射电子显微镜（LPTEM）、冷冻电镜、原子分辨三维电子断层扫描以及分子动力学模拟，直接揭示了AuAg合金纳米线表面Pd纳米晶粒由非晶前驱体聚集、附着到晶化的非经典形成过程。相关成果以“Bypassing Lattice Registry: A Nonepitaxial Paradigm for Constructing Hierarchical Heteroarchitectures”为题在线发表于国际学术期刊《ACS Nano》。合肥工业大学为第一通讯单位，2024级硕士研究生熊辉、北京大学李慕凡教授和北京工业大学张兴宇副教授为共同第一作者，材料科学与工程学院宋晓辉副教授为论文通讯作者。

图1：AuAg合金种子纳米线表面Pd沉积的外延与非外延生长模式及结构表征

外延生长是构筑晶体材料的重要手段，但其通常依赖基底与生长相之间严格的晶格匹配，因而在可选材料体系、基底类型和复杂三维结构设计方面受到限制。针对这一问题，研究团队以AuAg合金纳米线为种子，在胶体体系中引导Pd纳米晶粒沿非外延路径沉积，构筑出具有多级结构的AuAg@Pd核壳纳米线。与传统外延生长不同，该过程不要求沉积相与基底保持晶格对应关系，为扩展异质纳米材料的组成和结构空间提供了新思路。

原位液相透射电子显微镜观察显示，PdCl₆²⁻前驱体首先通过液-液相分离快速形成含水的液态状非晶团簇；这些团簇在非接触相互作用力驱动下，呈现长程定向运动和短程附着，并聚集到AuAg纳米线表面。随后，团簇经凝聚发生明显体积收缩，并由非晶态、玻璃态短程有序结构逐步转变为晶态Pd纳米晶粒。整个过程绕开了传统外延生长所需的晶格配准，揭示了一条由非晶前驱体附着主导的非经典晶化路径。

图2：原位液相透射电子显微镜监测Pd纳米晶粒的生长动力学

研究团队进一步利用冷冻高分辨扫描透射电子显微镜捕获不同阶段的结构快照，并通过分子动力学模拟验证了团簇形成、定向附着及界面相互作用的驱动机制。研究还在多种晶态和非晶态基底上观察到类似的Pd纳米晶粒生长行为，说明该非外延策略不依赖特定基底或晶格结构，具有较好的普适性。

原子分辨三维电子断层扫描显示，所得核壳纳米线内部形成了由大量晶界和连通孔隙构成的三维网络，单根纳米线的孔隙率约为0.9%。这种富晶界、多孔的层级结构提供了丰富的低配位活性位点和高效传质通道。在氧还原反应测试中，材料在0.9 V（相对于可逆氢电极）下的Pd质量活性达到0.396 A·mg⁻¹，接近商业Pt/C催化剂的3倍；同时表现出较好的甲醇和CO抗中毒能力。催化反应后的三维重构结果表明，多孔核壳骨架总体保持稳定。

该研究建立了一个将晶体生长与晶格配准解耦的材料合成平台，拓展了传统外延生长和取向附着理论，为精确调控异质材料的形貌、孔隙、晶面和界面复杂度提供了新路径。相关策略不仅有望用于设计高性能电催化材料，也可为能源转换、光学和电子器件等领域的多功能层级异质结构构筑提供参考。

该研究得到合肥工业大学人才启动经费、中央高校基本科研业务费专项资金、国家自然科学基金及江苏特聘教授计划等项目支持。相关原位表征与三维重构工作得到合肥工业大学分析测试中心、安徽大学以及美国劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造所等平台支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6c05813

（宋晓辉/文 宋晓辉/图 薛传妹/审核）

责任编辑：雷磊