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阳离子交换（Cation Exchange, CE）反应作为经典的纳米合成方法，在多组分复杂结构的纳米材料制备中扮演了重要角色。然而，传统理论对CE过程的描述主要局限于刻板的“刻蚀-吸附”机制，难以解释某些体系中实际观察到的独特现象。因此，探究CE反应的内在驱动机制，对推动其在催化与材料科学领域的应用具有重要意义。
成果简介
该研究首次通过溶剂化效应深入解析了CE反应的内在机制。研究表明，目标阳离子的结构从M-Cl向M-O/OH转化是实现CE反应的关键，且该过程受温度、溶液pH和模板缺陷等因素显著影响。通过这一新机制，研究团队成功合成了Pt-free CoRuSn(OH)x催化剂，其在阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）中的质量活性和功率密度均超过商业PtRu/C催化剂，为催化剂设计提供了新思路。
研究亮点
机制突破：首次揭示CE反应依赖目标离子的结构转化，颠覆了传统的“刻蚀-吸附”理论。
高效催化剂：Pt-free CoRuSn(OH)x催化剂的质量活性高达15.0 A mgRu⁻¹，功率密度为11.6 W mgRu⁻¹，显著优于商业PtRu/C。
多元验证：通过实验观察、原位光谱及理论模拟全面阐明了CE反应的溶剂化效应驱动机制，并验证其在多种金属离子体系中的普适性。
配图精析
图1：CE反应的溶剂化效应驱动机制
图示了Ru和Pt离子在溶液中从M-Cl向M-O/OH转化的过程，并通过EXAFS光谱揭示了温度对该结构转化的关键影响。
图2：模板与离子的相互作用研究
元素分布图和XANES光谱显示，CoSn(OH)₆模板中的Co位点优先与溶剂化的Ru离子发生交换，从而形成CoRuSn(OH)x。
图3：动力学模拟验证
AIMD模拟揭示了溶剂化过程中M-Cl键断裂的能垒及M-O/OH结构在模板表面吸附的稳定性，进一步支持了实验结果。
图4：CE在多金属体系中的普适性
测试了Pd、Ir、Rh等多种贵金属离子的CE反应，结果表明M-Cl向M-O/OH转化是CE反应的普遍驱动力。
图5：催化性能测试
CoRuSn(OH)x在HOR反应中的质量活性显著高于商业催化剂，并在AEMFC中展现了优异的CO耐受性和长期稳定性。
图6：原位表征揭示催化机理
原位XANES与DFT计算表明，Ru位点在反应过程中经历了电子态的动态调控，从而实现了对H和OH的优化吸附。
展望
本研究通过溶剂化效应解析了CE反应的内在驱动机制，为多组分纳米催化剂的设计提供了理论基础和新方法。未来，这一策略可进一步推广至其他复杂纳米材料的合成，为能源与环境领域的技术创新提供更多可能。
文献信息
标题：Solvation Effect-Determined Mechanisms of Cation Exchange Reactions for Efficient Multicomponent Nanocatalysts
期刊：Angewandte Chemie International Edition
DOI：10.1002/anie.202418248
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202418248
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