宏观块材钯是一种银白色的贵金属，属于铂族金属，以其卓越的催化性能和独特的储氢能力而闻名。

• 卓越的催化活性: 钯是元素周期表中催化性能最优异的元素之一，特别是在加氢反应和碳-碳偶联反应中表现出无与伦比的活性。
• 独特的储氢能力: 块材钯在室温下可以吸收高达自身体积900倍的氢气，形成金属氢化物（PdHₓ）。

当钯以单晶立方体的形态存在时，其由特定晶面主导的纳米效应变得尤为突出，是实现高选择性催化的关键。

• 高活性{100}晶面暴露: 这是钯纳米方块最核心、最重要的特性。通过形貌控制合成，其六个表面均为热力学上活性较高的{100}晶面。与钯纳米颗粒通常暴露的、最稳定的{111}晶面相比，{100}晶面对许多重要的化学反应（特别是电催化中的反应）表现出截然不同且通常更高的催化活性和选择性。
• 快速的储氢动力学: 纳米尺度的钯方块具有极高的比表面积，为氢气的吸附和解离提供了大量位点，使其吸收/脱附氢气的动力学速率比块材快数个数量级。

钯纳米方块（PdNCs）在纳米材料科学中一个非常重要的角色，是作为一种完美的模板（Template）或核（Core），用于合成结构更复杂的核-壳或中空纳米结构。

核心应用: 这是PdNCs最重要的应用之一。利用其形貌均一、暴露特定晶面的特点，可以作为理想的“晶种”或“核”，在其表面精确地外延生长另一层金属壳。

• 钯方块@铂 (PdNC@Pt): 在钯纳米方块表面包覆一层薄薄的铂壳。由于钯核对铂壳的晶格应变和电子效应，这种核-壳催化剂在氧还原反应（ORR）中表现出比纯铂高得多的催化活性和稳定性，是目前最有前途的下一代燃料电池催化剂之一。

目标: 通过在钯纳米方块的边或角上选择性地沉积另一种金属（如铂），然后再选择性地刻蚀掉钯核，可以制备出具有开放结构的铂-钯合金纳米框（Nanoframes）。

• 优势: 这种纳米框结构具有极高的比表面积和内外通透的结构，使得催化活性位点（边、角）的可及性达到最大化，是性能极高的电催化剂。

钯纳米方块是模型催化剂研究领域的明星材料，其核心价值在于为研究催化反应的晶面依赖性提供了完美的平台。

这是钯纳米方块在催化领域最核心的应用。通过对比具有不同暴露晶面的钯纳米晶（如暴露{100}晶面的方块 vs 暴露{111}晶面的八面体）的催化性能，可以揭示催化反应的内在机理。

• 乙醇/甲酸氧化反应: 在直接醇类燃料电池中，Pd的{100}晶面对乙醇和甲酸的氧化具有极高的催化活性和抗CO中毒能力，特别是在碱性介质中，其性能远超{111}晶面甚至铂催化剂。因此，钯纳米方块是用于碱性燃料电池阳极的理想催化剂。
• 碳-碳偶联反应: 钯纳米方块暴露的{100}晶面在Suzuki等偶联反应中也表现出独特的催化活性和选择性。

钯纳米方块（PdNCs）不适用于光学成像。然而，其卓越的催化活性和独特的储氢能力，使其在生物传感领域具有巨大潜力。

纳米酶是指具有类酶催化活性的纳米材料。PdNCs由于暴露了高活性的{100}晶面，其纳米酶活性通常高于球形的钯纳米颗粒。

• 类过氧化物酶 (Peroxidase-like) 活性: 这是PdNCs最主要的纳米酶活性。它能够像天然的辣根过氧化物酶（HRP）一样，在温和条件下催化过氧化氢（H₂O₂）氧化无色的底物（如TMB），产生蓝色的产物。可用于构建检测葡萄糖等生物分子的比色传感器。

氢气是许多细菌代谢的产物，也被认为是细胞内一种重要的信号分子。

• 传感原理: 钯纳米方块的电阻或光学特性会随着环境中氢气浓度的变化而发生灵敏的、可逆的变化。通过监测这些变化，可以实现对痕量氢气的快速、高灵敏度检测。

钯纳米方块（PdNCs）在治疗领域的应用独树一帜，主要利用其独特的催化活性，在肿瘤微环境中原位激活药物或调节肿瘤代谢。

这是一种全新的、基于PdNCs独特催化活性的癌症治疗策略。

• 前药激活: 这是PdNCs在生物医学中最前沿、最独特的应用。
  • 原理: 设计一种无毒或低毒的“前药”（Prodrug），其活性位点被一个特定的化学保护基团“锁住”。将PdNCs和前药先后递送到肿瘤部位。PdNCs（特别是具有高活性{100}晶面的方块）可以高效地催化脱保护反应，将“锁”打开，从而在肿瘤内部原位、特异性地将无毒的前药转化为剧毒的化疗药物，实现对肿瘤的精准杀伤。
  • 优势: 这种策略可以极大地降低化疗药物的全身毒副作用，并克服耐药性。

块材钯（Pd）通常被认为是生物相容的。然而，当其以纳米颗粒形态存在时，其生物安全性是一个需要综合评估的复杂问题。

• 钯离子（Pd²⁺）的细胞毒性: 这是PdNCs毒性的主要来源。PdNCs在生理环境中会缓慢溶解并释放出Pd²⁺，高浓度的Pd²⁺具有已知的细胞毒性，能够诱导氧化应激、DNA损伤和细胞凋亡。
• 尖锐边角的物理损伤风险: PdNCs的尖锐边角，在与细胞膜相互作用时，可能会像“刀尖”一样，通过物理切割的方式破坏细胞膜的完整性，导致细胞内容物泄漏和细胞死亡。

• 生物持久性: 与金和铂类似，PdNCs在体内是不可生物降解的，存在长期蓄积于肝、脾等器官的风险。
• 过敏反应: 钯是一种已知的致敏原，长期或过量暴露于钯可能在部分人群中引起接触性皮炎等过敏反应。

高质量、单分散的钯纳米方块的合成，通常依赖于在溶液中通过对晶体生长动力学和热力学的精确控制来实现。

这是制备钯纳米方块最核心、最主流的方法。

• 原理:
  1. 反应体系: 在水溶液中，将钯的前驱体（通常是K₂PdCl₄）在一定温度下，用一种弱还原剂（通常是L-抗坏血酸, AA）缓慢地还原。
  2. 形貌控制剂: 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是该反应中最重要的形貌控制剂。PVP分子会选择性地吸附在钯晶体的{100}晶面上。
  3. 卤素离子的关键作用: 溴离子（Br⁻）在钯纳米方块的形貌控制合成中扮演了至关重要的角色。Br⁻会比PVP更强烈地吸附在{100}晶面上，极大地抑制了这些晶面的生长，从而促进晶体形成立方体结构。
  4. 动力学控制: 通过精确地控制还原剂的加入速率和反应温度，使得钯原子的生成速率非常缓慢。在这种接近热力学平衡的条件下，晶体会倾向于生长成由高表面能的{100}晶面包裹的立方体结构。
• 尺寸调控: 通过精确地调控晶种的浓度、反应温度和时间等参数，可以方便地控制钯纳米方块的最终边长。

对钯纳米方块（PdNCs）的精确表征是评估其催化性能的关键。对其电催化活性和表面性质的表征尤为重要。

• 电化学测量: 这是评价钯电催化剂性能的金标准。
  • 循环伏安法 (CV): 通过测量钯在酸性电解液中氧化物还原峰的电量，可以精确计算其电化学活性表面积（ECSA）。
  • 旋转圆盘电极 (RDE): 结合线性扫描伏安法（LSV），可以精确测量催化剂对特定反应（如乙醇氧化）的质量活性和面积比活性。

• 形貌与晶面: 高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 是直接观察PdNCs立方体形貌、尺寸和暴露晶面的金标准。
• 晶体结构: X射线衍射 (XRD)。用于确认PdNCs为面心立方（FCC）的晶体结构。

钯纳米方块的表面工程是其催化应用中至关重要的一环，其核心任务是实现“洁净”的催化表面和构建核-壳结构。

合成过程中使用的稳定剂（如PVP）会吸附在钯表面，覆盖催化活性位点，严重影响其催化性能。

• 配体去除: 在将催化剂用于催化反应之前，通常需要进行“清洗”步骤以去除这些表面吸附的有机配体。常用的方法包括：
  • 热处理: 在惰性或还原性气氛下，通过高温退火将有机物分解。
  • 化学清洗: 用乙酸等溶剂在一定温度下清洗，以选择性地去除PVP等配体。
  • 电化学清洗: 通过在电解液中进行多次循环伏安扫描，可以氧化去除表面的有机物。

• Pt壳@Pd核: 这是提高铂原子利用效率、降低成本的最前沿策略。利用钯纳米方块作为核，通过原子层沉积或外延生长技术在其表面精确地包覆上1-2个原子层厚度的铂壳。这样得到的Pd@Pt核壳催化剂，其催化活性和稳定性远超纯铂催化剂，是目前最有前途的燃料电池催化剂之一。