这要从表面原子密度和活性、结构的稳定性、合成的难度、反应的可调性和应用的局限性五个方面来解释。
实际上，纳米线由于其一维的形态，表面相对于体积的比例还是比较高的。具体来说，纳米线的表面并非只是线的两端，而是整个表面都有原子暴露，尤其是在高长宽比的情况下，纳米线的表面原子数量相对较多。
首先，表面结构和活性位点的分布：纳米颗粒和团簇的表面通常呈现更加无序的原子排列，导致它们的表面可以形成多样化的催化位点，这使得它们在催化过程中具有较高的活性。纳米线由于形态上的限制，表面可能会出现相对规则的结构，这使得反应位点可能较为有限。此外，纳米线表面可能由于过度的晶格排列而导致活性位点的“饱和”，从而减少催化活性。
使得纳米线在催化反应过程中容易受到较大的应力集中，特别是在高温或高压反应条件下，可能导致其发生形变。例如，在高温下，纳米线可能会由于热膨胀不均而导致晶格畸变或断裂，这种形变会显著降低催化剂的稳定性。一维结构的纳米线也可能因为表面能的不均匀分布而发生形变，某些区域可能会由于应力集中导致形态不稳定，进而影响催化反应的效率和催化剂的重复使用性。
在催化过程中，尤其是在强酸、强碱或极端反应条件下，纳米线的稳定性可能受到破坏。解聚现象指的是纳米线在催化反应中可能会分解为较小的颗粒或团簇，从而失去原有的催化性能。这是因为纳米线结构的晶格强度可能不足以承受某些反应环境中的高能量碰撞或外部应力，导致其解聚成较小的颗粒或团簇，这样反而导致其催化性能下降。此外，由于纳米线的结构可能并不如纳米颗粒那样稳定，在极端的反应条件下，可能会发生逐渐的形态改变，进一步影响催化效果。
纳米线的表面能量通常较高，尤其是在长时间的催化反应中，容易导致纳米线发生团聚。随着反应的进行，纳米线表面上的原子可能由于能量的变化而重新排列或聚集，形成较大颗粒，这使得催化剂的表面活性位点减少，最终导致其催化性能的衰退。因此，纳米线可能会经历“自聚合”现象，从而形成不均匀的结构或降低催化活性。
虽然表面暴露较多，但由于其形态特征，反应物的扩散可能不如三维结构的催化剂那样高效。在一些催化反应中，反应物必须通过纳米线的整个表面才能接触到活性位点。如果纳米线的结构发生变化或发生形变，反应物的扩散过程可能受阻，进而影响催化效率。
与纳米颗粒和团簇相比，后者由于其三维结构和更为对称的形态，在催化反应中更具稳定性。三维颗粒形态的催化剂通常更能够保持结构的稳定性，且能更好地分散反应物，从而提高催化反应的效率。
尺寸控制：纳米线的直径和长度对于其物理、化学性质（如催化活性、导电性等）有着非常重要的影响。在合成过程中，要精确控制纳米线的尺寸，尤其是直径的控制，非常具有挑战性。过大的直径可能会导致表面活性位点减少，从而影响催化性能；而过小的直径则可能会导致纳米线变得不稳定，容易发生解聚或形变。
形貌控制：纳米线通常需要具有均匀的直径和形状，避免出现形态不规则的情况。然而，由于合成过程中的温度、反应物浓度、催化剂等多种因素，纳米线的形态常常存在不均匀性，这会影响其性能。
在催化剂的应用中，纳米线通常需要均匀分布在支撑材料上（如载体上）。但是，由于纳米线的一维性，它们很容易因为表面能的原因发生聚集或团聚，形成不均匀的分布。这使得其在实际催化应用中难以达到理想的效果。纳米线的高长宽比使得它们容易自组装成聚集体，或者在合成过程中形成随机的排列，导致催化活性位点的不均匀分布。
常见的纳米线合成方法包括化学气相沉积（CVD）、溶液法、模板法等。这些方法虽然可以制备纳米线，但往往需要精确调控温度、气氛、反应物浓度和反应时间等条件，以确保合成出的纳米线具有理想的尺寸、形态和分布。例如，化学气相沉积（CVD）法通常用于合成金属氧化物、碳纳米线等，但需要精细的温度和气氛控制才能获得高质量的纳米线。溶液法在合成过程中可能会出现控制不当导致的形貌变化，而模板法虽然能够精确控制形状，但模板去除和后处理过程复杂。
晶格缺陷：纳米线的合成过程中容易引入晶格缺陷，例如在生长过程中，原子可能会发生堆积不规则或晶格错位，导致结构不完整或不稳定。这些缺陷会影响纳米线的物理化学性质，进而影响其在催化中的表现。杂质掺入：合成过程中，原料中的杂质、反应过程中未反应完全的物质可能会掺入到纳米线中，导致其性能下降。例如，某些反应可能导致纳米线表面或内部掺杂其他金属或氧化物，这可能会降低催化效果或引起不必要的副反应。
纳米线由于其高表面能，尤其在高温或催化反应的条件下，容易发生形变或团聚，影响其长时间稳定的性能。这意味着，在催化过程中，纳米线的重复使用性可能较差，需要额外的修复或再生处理。相比之下，纳米颗粒、团簇等材料在合成时较易控制其稳定性，并且在使用过程中能够保持更好的稳定性。
通常是一维的，意味着它们的表面结构和几何形状在一定程度上是固定的。这种结构限制了其催化活性位点的可调性。相比之下，纳米颗粒或团簇催化剂的形态是三维的，可以通过改变尺寸、形状或合成条件来调节其催化性能。纳米线的尺寸和形状一旦确定后，其表面暴露的活性位点就较为固定，难以进一步调节，而纳米颗粒催化剂则能够通过控制粒子的大小和形状来优化反应性能。
由于纳米线的表面结构较为简单，它们在某些反应中的选择性可能不如多样化的纳米颗粒催化剂高。例如，在某些需要特定结构或表面缺陷的催化反应中，纳米颗粒可以通过调节颗粒的形状和尺寸来优化选择性，而纳米线的相对单一形态使得其在选择性调节方面的能力受限。同时，纳米线的稳定性可能较差，尤其是在极端条件下，这也限制了其在长期催化反应中的应用。
纳米颗粒和团簇催化剂具有更高的可调节性和可回收性，能够通过改变催化剂的结构和表面性质来优化反应。而纳米线在催化过程中可能会发生聚集、团聚或者断裂等现象，导致催化剂的性能下降，也更难进行结构上的优化。而且，在催化反应后，纳米线的回收和再生也更加困难，尤其是在其发生形变或解聚的情况下。
电子器件：纳米线由于其一维结构和高比表面积，在电子器件中有很大的应用潜力。例如，在场效应晶体管（FET）中，纳米线由于其独特的电导性和可调性，在低功耗、高性能的电子器件中表现出色。
光电催化：纳米线在光电催化领域，尤其是太阳能电池和光催化水分解中，具有独特的优势。其高比表面积和一维结构能够有效提高光吸收效率和电荷分离率，从而提高光电催化性能。
能量存储与转换：在锂电池、超级电容器等能量存储和转换领域，纳米线由于其较高的导电性和优异的机械强度，能够提升器件的循环稳定性和效率。
常规的催化反应通常要求催化剂具有较高的表面活性、高效的反应物扩散、优异的稳定性和可重复使用性。纳米颗粒和团簇催化剂由于其高度可调节性和更高的表面活性，能够更好地满足这些需求。而纳米线虽然在某些特殊催化（如电催化）中有优势，但在传统的气相催化、液相催化和异相催化中，由于其表面活性和稳定性不足，常常表现不如纳米颗粒。
虽然纳米线在催化中的应用较为有限，但它们在一些电化学催化和光催化等领域依然具有显著的优势。例如，电催化水分解和氢气生成中，纳米线作为催化剂能够提高电流密度并延长催化剂的使用寿命。此外，纳米线在CO₂还原反应、氮气还原反应等领域也表现出一定的潜力。
例：CoP多孔纳米线作为双功能电催化剂，在氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）中均表现出优异的催化活性。在10 mA/cm²的电流密度下，其HER和OER的过电位分别为147 mV和326 mV。
International Journal of Hydrogen Energy, 42, 49, 2017, 29080-29090, 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.09.171.
本文源自微信公众号：材料er
原文标题：《为什么助催化剂一般都是单原子、团簇或纳米颗粒，而很少见到纳米线》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ZSmipZ7HmNUSufzUvfAm0Q
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