Exfoliated Metal Oxide Nanosheets as Effective and Applicable Substrates for Atomically Dispersed Metal Nanoparticles with Tailorable Functionalities

Abstract

An effective methodology to stabilize highly dispersed metal nanoparticles is developed by employing the exfoliated 2D metal oxide nanosheets with variable surface structures as substrates. The selection of appropriate crystal structure of titanate nanosheet is very crucial in stabilizing atomically dispersed Pt nanoparticles through the tuning of chemical interaction between Pt and titanate substrate. A theoretical study using density functional theory calculations confirms the significant influence of the crystal structure of layered titanate nanosheet on the crystal growth behavior of immobilized metal nanoparticle. As a consequence of the good dispersion of Pt nanoparticles, the Pt–trititanate nanohybrids with stronger interaction show much higher content of atomically dispersed Pt and better catalyst performances than do the Pt–lepidocrocite titanate ones. The applicability of the present method for other metal species is evidenced by the successful tuning of the crystal size and functionality of Au nanoparticles via immobilization on layered titanate nanosheets. The functionality of Au for surface-enhanced Raman spectroscopy becomes improved by the anchoring on the lepidocrocite-type titanate nanosheet. The present study underscores that the use of the metal oxide 2D nanosheets with appropriate surface structure as substrates is effective in tailoring the crystal growth and the functionalities of immobilized metal nanoparticles.;다양한 표면 구조를 가진 2차원 금속산화물 나노시트를 기판으로 이용하여, 콜로이드 형태로 분산된 나노입자들을 안정화시킬 수 있는 효과적인 방법이 개발되었다. 적절한 결정 구조를 가진 티탄산화물 나노시트의 선택은 백금 원자와 티탄산화물 기판 간의 화학적 상호 작용을 통해 원자 형태로 분산된 백금 나노시트를 안정화시키는 데에 있어서 중요성이 매우 크다. 밀도범함수 계산을 이용한 이론적 연구로 나노시트에 고정된 금속 나노입자의 결정이 성장하는데 층상 티탄산화물 나노시트 결정구조가 미치는 영향을 확인하였다. 여러 가지 층상 티탄산화물 중에서 트리티타네이트와 유사 레피도크로사이트 티탄산화물을 이용하여 백금 금속과 혼성화한 결과, 백금 원자와의 상호작용이 강한 트리티타네이트의 백금 혼성화물이 유사 레피도크로사이트 티탄산화물에 비해 원자 크기에 가깝게 잘 분산된 백금 입자의 비율과, 그로 인한 촉매 활성이 더욱 높았다. 백금뿐만 아니라, 금 등의 다른 금속에도 본 방법을 적용시켜 층상 티탄산화물에 고정되어 자란 금 나노입자의 결정 크기와 활성을 성공적으로 조절할 수 있음을 증명하였다. 나노입자의 크기를 특정 나노시트에 입자를 성장시켜 조절이 가능함을 이용하여, 유사 레피도크로사이트 티탄산화물에 금 나노입자를 성장시켜 금의 표면증강라만분광 활성을 향상시켰다. 본 연구는 적절한 표면구조의 2차원 금속산화물 나노시트를 이용하여 효율적으로 결정 성장을 조절하고, 고정된 금속 나노입자의 기능을 더욱 개선시킬 있음을 보여주었다.