以多元有序的八面体为模板制备贵金属纳米笼的研究

Metallic nano-cage displays unique properties in the field of interfacial reactions such as molecular catalysis.It is hard to obtain regular nano-cage structure through the present template technique.Thus,it is essential to synthesize nano-cage by designing the template with special structure.In this research,the multi-metallic ordered template nanoparticles with special structure will be designed and synthesized,by which the precious-metal nano-cage will be generated through controlled galvanic replacement process.The reactions sites will be tuned at the atomic level via the ordered dispersion of superficial elements of the octahedral template nanoparticles,thus, the nano-cage with regular shape will be obtained.The nano-cages with various size and composition will be produced by changing the synthesizing conditions and precusors,which will be used as catalysts in electrochemical reactions.The nano-cage catalyst with high activity and stability will be fabricated.The growth mechanism of the multi-metallic ordered octahedral nanoparticles, and the restruction of the octahedral nano-cage structures will be investigated.Moreover,the influence of structure and composition on the catalytic performance of the nano-cage will be studied.The ordered multi-metallic nanoparticles in our research will be a promising template for generating nano-catalysts.The approach of controlling the final structure by confining the reactions sites will open up a new study for engineering hollow structure.

金属纳米笼在分子催化等界面反应中表现出独特的性能优势，然而，现有的模板技术难以获得规则的纳米笼。因此，通过设计具有独特结构的纳米模板来精确制备笼结构，对于纳米材料的合成技术研究和功能拓展都具有重要的意义。本项目的核心是将设计合成多元有序的八面体模板与置换反应巧妙地结合，充分利用八面体表面元素呈有序化分布的特性，在原子水平调控置换反应发生的微观区域，精确构建纳米尺度笼结构。通过改变合成条件、前驱物种类和用量，获得具有不同尺度、不同成分的纳米笼，用于催化电化学反应，筛选活性高、性能稳定的电催化剂材料。项目将研究八面体的生长机理，探索纳米笼的形成过程，阐释笼结构对催化性能的影响规律。项目研究工作将促进中空纳米颗粒的可控合成，拓宽多元有序结构的研究工作，同时对开发新型结构的功能材料具有重要意义。

项目背景：金属中空纳米结构具有特殊的界面性质和电子效应，在纳米器件、分子催化、医疗诊断、气体传感、能量转换等方面均表现出极高的应用性能。然而，现有的模板技术难以获得规则的纳米笼。因此，通过设计具有独特结构的纳米模板来精确制备笼结构，对于纳米材料的合成技术研究和功能拓展都具有重要的意义。.主要研究内容：项目核心是将设计合成多元有序八面体与置换反应巧妙地结合，利用八面体元素呈有序化分布的特性，在原子水平调控置换反应发生的区域，精确构建纳米笼结构；用于分子催化反应。项目获得了有序结构的生长机理，探索了纳米笼的形成过程，分析了结构对催化的影响规律。.重要结果与关键数据：1）三元有序结构的合成：铂先还原出来，形成富铂的凹面立方体铂镍合金颗粒，随着铂的消耗，镍进一步还原，在颗粒表面包裹，铱对最终形貌起到了关键的控制作用，最终形成八面体的外形。2）通过简单的室温置换反应制备出中空的纳米笼结构。镍发生氧化溶解，钯还原沉积。但由于铱在八面体颗粒的棱的位置富积，而且铱不会被钯所置换，起到了固定钯原子的作用，最终形成了中空的结构。.项目组在Nano Energy, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Power Sources等期刊上发表SCI论文10篇，申请发明专利4项，其中3项已经进入实审阶段，项目组教师、学生多次参加学术交流。原有的两名研究生已经毕业，目前项目组还有5名研究生参与工作。综上，项目研究顺利地完成了预期目标。.科学意义：项目将多元有序的金属纳米结构与置换法进行合理的结合，通过精巧的设计，制备出精确的纳米笼结构，为纳米笼的可控合成提供了新的思路，有利于中空纳米结构的制备向着可控化、系统化和可设计化方向发展。同时，项目通过一步法制备出三元有序的纳米结构，弥补了纳米合成技术在此方面的不足。另外，项目研究证实纳米中空结构在电催化反应中的性能优势。项目研究工作促进了中空纳米颗粒的可控合成，拓宽了多元有序结构的研究工作，同时对开发新型结构的功能材料具有重要意义。