金属纳米晶的晶面选择性刻蚀研究

Metal nanocrystals are of great importance to modern science and technology, with their wide applications ranging from industry to biology. Current researches have already shown the strong relationship between the shape of a nanocrystal and its properties, thus mastery over the shape enables enhancement of its usefulness for a given applications.In the case of catalysis, it is well-established that the activity and selectivity of a metal nanocrystal can be tuned by manipulating its shape thus its exposed facets. Therefore, shape-controlled synthesis of metal nanocrystals has attracted numerous attentions during the past decades, and many significant progresses have been made.How to establish a facile and robust synthetic strategy to control the surface structure so as to improve their catalytic properties is still an urgent topic and a focus of current nanomaterials research. In this project, we propose a synthetic approach based on "selective etching" with the assistance of capping agent and etchant, to selectively "cut" the original metal nanocrystals into new morphologie, and explore their unique physical and chemical properies and potential applications. We plan to perform solution phase synthesis, which based on the addition of original metal nanocrystals, capping agent, and etchant.Through tuning the reaction parameters, the high quality of metal nanocrystals with uniqe surface strcutures and sizes will be prepared. Followed by the study of their catalytic properties toward different reactions. This research results can provide the new principles and methods to synthesize the high performance metal nanocatalysts.

金属纳米材料由于其优越的催化活性在现代工业催化中起着至关重要的作用。大量研究表明金属纳米材料的裸露晶面直接决定了材料的某些物理化学性质乃至催化活性和选择性。如何建立简单普适的合成策略，有效调控金属纳米材料的表面结构是目前金属纳米材料研究中面临的焦点问题。本课题提出在纳米尺度下，利用表面活性剂的选择性吸附和氧化刻蚀剂对表面金属原子的刻蚀作用，选择性"切割"出特定的裸露晶面，达到控制表面结构的目的，并探索其独特的物化性质和催化应用前景。拟采用液相合成法，在含有金属纳米晶体和表面活性剂的溶液中，加入合适的氧化刻蚀剂，通过控制反应条件，获得经过表面"切割"的单分散、表面结构单一的高质量金属纳米材料，并对其电催化性质进行深入研究，最终获得高效的金属纳米催化剂。本课题研究成果将有助于提供构建高性能金属纳米催化剂的新原理和新方法，进一步拓展它们的实际应用。

金属纳米材料在现代工业领域具有重要的应用价值。尤其是在工业催化领域，金属纳米材料往往是工业多相催化剂的活性中心。鉴于绝大部分催化反应过程都发生在催化剂的表面，如何在催化剂表面构筑起大量高活性的催化位点是该领域的热门研究课题且具有重要的现实应用价值。本项目聚焦于刻蚀法在构筑高活性催化位点方面的重要作用。通过本项目的研究，我们首次发现并提出通过刻蚀作用可以直接将金属纳米材料的低能表面转变为高能表面，从而显著提升其催化性能。更进一步，我们的研究还创新性地通过控制纳米晶不同活性位点（角，棱和面）刻蚀和生长速率成功将固态纳米晶演变为框架结构的纳米晶。这种具有开放式结构和高密度不饱和配位原子的框架结构纳米晶在催化过程中可以显示出优异的催化性能。此外，通过刻蚀的引入，我们首次提出、设计并成功实现了柯肯达尔效应的逆过程，通过将该效应的正逆过程相结合，可以使实心金属纳米颗粒转变为中空金属纳米颗粒，而且在转变过程中几乎没有质量损失。所得到的中空结构钯纳米颗粒具有比表面积大、表面缺陷密度高等特点，因此在催化反应中（如甲酸催化氧化反应）表现出极其优异的性能。除了构筑高密度活性位点之外，我们的研究进一步发现其可以用于大规模制备具有特定表面结构的金属纳米材料，如三维钯片状纳米结构等。这些研究不仅对催化剂的表面位点催化活性调控提供了指导，同时进一步指明了规模化制备金属纳米材料的一种可行方法。