负载团簇在催化、量子信息、生物材料、光电材料具有重要的应用。团簇的性质依赖于尺寸、形貌和表面。由于团簇合成同时受衬底、温度、环境气体等多因素共同影响，精确的合成均一尺寸、均一形貌具有很大挑战。例如铂基纳米催化剂在能源转化反应中具有关键作用，是高效的氨氧化反应催化剂。然而，传统的湿化学合成方法通常只能制备尺寸较大（约100纳米）的颗粒，存在活性位点暴露不足、结构可控性较差、工艺流程复杂等问题。
准确理解其生长和相变的热力学和动力学机理，可以实现纳米团簇的可控的制备，推动材料原子级精准制备。近日，大连理工大学高峻峰教授、中国科学院金属研究所刘畅研究员、张峰研究员团队的实验与苏州实验室丁峰教授理论模拟合作，深入理解了碳纳米管上铂团簇的生长机理，实现了2 nm铂纳米立方体（Pt-NCs）团簇的可控制备。该团簇表面精确控制为（100）晶面，在电催化氨氧化反应中表现出较高的活性与良好的稳定性。成果以“Ultrafast, groove-confined synthesis of ultrafine Pt nanocubes for efficient electrocatalytic ammonia oxidation”为题并于2026年2月发表于Cell子刊Matter。
图1. 机器学习数据集组成，机器学习力场与DFT精度对比
大连理工大学高峻峰教授团队长期致力于发展高精度、高效率的机器学习力场及主动学习策略，并将其应用于新材料预测、生长机理及表界面催化过程等研究。在本工作中，高峻峰教授与常远博士后构建了涵盖铂单质、不同氧化程度的铂台阶面、PtO团簇及多种PtO单晶表面模型，通过DFT计算生成了包含约16万组结构‑能量‑力对应关系的数据集，并以此训练出能够准确描述Pt-O体系相互作用的机器学习力场。
基于该机器学习力场，研究团队进行了大规模分子动力学模拟，系统揭示了氧化学势在铂纳米颗粒形貌演变中的关键作用。模拟结果表明：在无氧或低氧浓度条件下，铂纳米颗粒倾向于形成以热力学更稳定的（111）晶面为主要暴露面的近二十面体结构；而在持续通氧的氧化性环境中，颗粒表层及次表层发生氧化，其形貌逐渐转变为以（100）晶面为主的立方体结构。进一步的DFT计算精确绘制了不同氧化学势下铂纳米颗粒的表面能图谱，从热力学上确认了最稳定暴露面由（111）向（100）转变的规律。理论预测的不同氧化阶段可能存在的纳米颗粒中间体Wulff构型，在实验观测中均得到对应，实现了理论与实验的相互验证。
图2. a.Pt表面能随氧化学势变化。b.Pt纳米颗粒P-T曲线。c. Pt颗粒中间体wulff构造。d. 实验TEM图像
为了深入理解碳纳米管对铂纳米立方体的空间限域生长机制，团队通过过渡态理论计算进行了分析。结果表明，铂原子在碳纳米管内的扩散行为具有显著各向异性：沿碳纳米管径向的扩散能垒约为沿轴向扩散能垒的5至6倍。这种较高的径向扩散势垒有效抑制了铂原子在径向上的迁移与聚集，从而限制了颗粒在该方向的生长，最终使铂纳米立方体的尺寸被约束在极小的范围内。该认识为今后理性设计限域空间内纳米催化剂的合成提供了理论参考。
图3. Pt原子沿碳纳米管径向和轴向扩散的原子示意图和势垒
中国科学院金属研究所博士生李康与大连理工大学博士后常远为本文共同第一作者。大连理工大学高峻峰教授、苏州实验室丁峰研究员、中国科学院金属研究所刘畅研究员与张峰研究员为共同通讯作者。
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102566
