上海交通大学邱惠斌、陶佳伟《自然·通讯》：胶束刷导向限域冶炼：编程化构筑金属纳米阵列

摘要：当前，贵金属电催化剂（如IrO₂、RuO₂和Pt/C）虽在酸性介质中具备优异的活性和耐久性，但其粉末或颗粒形态在实际应用中存在较大缺陷：易聚集、易脱落且导电性差，导致在高电流密度下活性位点埋没及电子传输效率低下。传统方法难以在电极上直接生长自支撑的贵金属纳米阵

当前，贵金属电催化剂（如IrO₂、RuO₂和Pt/C）虽在酸性介质中具备优异的活性和耐久性，但其粉末或颗粒形态在实际应用中存在较大缺陷：易聚集、易脱落且导电性差，导致在高电流密度下活性位点埋没及电子传输效率低下。传统方法难以在电极上直接生长自支撑的贵金属纳米阵列，而依托载体（如TiO₂阵列）的负载策略则受限于贵金属负载密度低、载体导电性不足及选择范围有限等问题。

上海交通大学邱惠斌教授、陶佳伟助理研究员等人提出了一种胶束刷引导组装与原位纳米冶金的协同策略：利用聚二茂铁基二甲基硅烷-聚（2-乙烯吡啶）（PFS-b-P2VP）嵌段共聚物形成的胶束刷作为软模板，通过吡啶基团与金属纳米粒子（如Ru、Ir、Pt、Rh）的动态配位作用，引导粒子在基底上自组装成直立、致密的纳米线阵列；进一步通过原位冶炼处理，使堆叠的纳米粒子在惰性气氛或低氧环境中融合成连续的纳米晶体阵列。该熔炼过程不仅消除了绝缘模板和粒子间隙，还将电导率提升4 个数量级（如钌纳米阵列电导率达3.1×10⁴ S·m⁻¹），并显著增强阵列在酸性介质中的活性与结构稳定性。这一策略实现了自支撑贵金属纳米阵列的可控制备，为高电流密度酸性水电解提供了兼具高活性和长寿命的新型电极材料。

研究人员通过圆柱形胶束刷（PFS₂₉-b-P2VP₂₃₀）的P2VP冠状链间隙（~3.5 nm）引导Ru纳米粒子（3.3 nm）渗透与致密化堆叠。动态配位作用使Ru NPs从初始松散分布（间距5.1 ± 1.9 nm）逐步迁移至冠状层内部，最终形成间距仅为0.5 ± 0.08 nm的紧密链状纳米线（图1 ）。XPS证实Ru NPs与吡啶基团的配位增强，揭示了尺寸匹配与可逆键合是实现高密度纳米线阵列的关键。

图1.金属纳米粒子（Ru NP）在胶束刷中的动态组装机制

基于上述结果，研究人员将预植胶束刷种子的碳布浸入Ru NPs溶液中，通过循环吸附实现纳米粒子的竖直取向组装（图2 ）。SEM显示碳布表面完全覆盖高度可控（0.5~1.6 μm）的Ru NPs纳米阵列。电导测试表明：粒子间距（通过乙酸浓度调控）主导阵列导电性，最优条件下电导率达2.9 S·m⁻¹，但仍受限于纳米粒子间隧穿电阻。

图2.胶束刷引导在基底上构建直立纳米阵列

惰性气氛中熔炼Ru NPs纳米阵列（400–600°C）可清除胶束模板并融合粒子间隙（图3 ）。随温度升高，堆叠NPs逐步融合为连续多晶结构，600°C时形成致密hcp相钌晶体。电导率跃升4 个数量级至3.1 × 10⁴ S·m⁻¹，归因于绝缘屏障消除及贯穿晶体的连续导电路径形成。

图3.原位熔炼提升阵列连续性与电导率

该方法可进一步扩展至多元体系：同步添加Ru/Pt NPs经熔炼（600°C）形成均质fcc结构RuPt合金阵列（图4 ）；四元（RuIrRhPt）体系同样获均匀合金相。调控熔炼气氛（N₂/O₂=99:1）可将Ru NPs转化为具有氧空位的连续RuOₓ晶体阵列。证明熔炼策略普适于设计定制化组分与物相的自支撑纳米阵列。

图4.多元纳米粒子熔炼为均质合金阵列

熔炼后阵列的电催化性能显著提升：HER方面，Ru纳米阵列在1 A·cm⁻²仅需82.1 mV过电势（图5A），优于Pt/C；OER方面，RuOₓ阵列在400°C熔炼后实现330 mV@1 A·cm⁻²（图5C）。稳定性测试中，熔炼阵列在1 A·cm⁻²酸性条件下运行200小时未衰减（图5E），而原始NPs阵列因粒子脱落50 小时后性能显著下降（图5F）。

图5.熔炼纳米阵列催化性能与稳定性突破

以RuOₓ-400为阳极、Ru-600为阴极构建PEM电解槽（图6A,B）。在2 A·cm⁻²电流密度下仅需1.88 V槽压（80°C），优于商用IrO₂/Pt/C体系（图6C）。连续运行500小时（1 A·cm⁻²）后电压上升仅20 μV·h⁻¹（图6D），证明阵列结构在高电流密度下的机械与化学稳定性。

图6.阵列集成实现高效PEM电解槽

综上所述，该研究开创性地提出“胶束刷引导组装-原位纳米冶金”协同策略：利用嵌段共聚物胶束刷的定向限域作用，实现贵金属纳米粒子在任意基底上的高密度、定制化纳米阵列组装（可调高度/组分）；进一步通过高温熔炼重构，将堆叠粒子转化为连续单晶金属、合金或氧化物阵列，突破传统粉末催化剂易脱落、导电性差等限制。构建了开放式阵列结构促进传质，将电导率提升4 个数量级（达3.1×10⁴ S·m⁻¹），实现酸性介质中500小时级工业电流密度（1 A·cm⁻²）稳定运行，为绿氢制备提供兼具高活性、长寿命、低能耗的电极材料新范式。

该工作以“Synthesis of noble metal nanoarrays viaagglomeration and metallurgy for acidicwater electrolysis”为题发表于《Nature Communications》（https://doi.org/10.1038/s41467-025-60419-8）。上海交通大学化学化工学院助理研究员陶佳伟为该论文的第一作者，上海交通大学化学化工学院邱惠斌教授为本文的通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、上海市教委、上海交通大学项目的经费资助，特此感谢。

邱惠斌教授课题组长期招聘博士后，主要合作方向包括：嵌段共聚物合成与自组装；多功能纳米阵列及其在催化、能源、传感等领域的应用探索；弯曲稠环芳烃的合成与自组装。全力支持申报“博士后创新人才支持计划”、上海市“超级博士后”、中国博士后特别资助等人才项目，获得资助后年薪三十万以上（课题组已有十余人次获得资助）。此外，热诚欢迎优秀研究生来课题组交流合作，主要合作方向为嵌段共聚物合成与自组装、表面活性自组装、响应性动态纳米阵列等。