Yolk-shell纳米结构的设计、合成及其催化性能研究

Yolk-shell nanostructures have been paid numerious attention for their excellent performance and important applications in the fields of energy, catalysis and so on. This project aims at further designing and synthesizing yolk-shell nanostructured cataltysts based on our previous work. In this project, we will develop some new facile and controllable routes to fabricate metallic, semiconductor and hybrid yolk-shell nanostructures, and modify this nanostructures to optimize the catalytic performance according to the need. Besides, we will also deeply explore the catalytic mechanism of the yolk-shell nanostructures to guide the further design and synthesis of this kind of nanostructured catalysts. Therefore, this project will supply several new controllable methods to prepare yolk-shell nanostructures and some yolk-shell nanostructured materials with highly catalytic performance and controllable fuctions. In addiiton, we can bring some new chances for the fields of energy, organic catalysis and so forth, such as using the much cheaper reagent chlorobenzene for Heck/Suzuki carbon coupling reactions instead of iodobenzene, resolving the CO-tolerance of electrocatalysts for the direct alcohol fuel cells, and the separation of catalysts etc. Moreover, this project can help us understand the catalytic performance in nanoscale from atomic/molecular scale. In a word, this project is very important in both of the theoretical research and pratical applications.

Yolk-shell纳米结构因在能源、催化等领域具有优异性能和重要应用价值而备受关注。在前期工作的基础上，本项目旨在发展可控简便的方法来构筑金属、半导体以及复合组分yolk-shell纳米结构材料，并根据需要对其进行修饰和结构优化。同时，项目将深入研究材料结构影响催化性能的微观机制，指导催化材料的设计和构筑。本项目的实施有望发展一些可控制备yolk-shell纳米结构的方法，获得一批基于yolk-shell结构的高活性且功能可控的纳米催化材料，给能源催化、有机催化等领域带来新的机遇并解决某些关键科学问题，诸如有望实现廉价氯苯代替碘苯作为Heck/Suzuki偶联反应底物，解决醇燃料电池催化材料CO-耐力以及催化剂分离等问题。另外，通过催化机理的研究可以从原子/分子层面进一步认识纳米催化行为，丰富催化理论。因此，本项目的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

在本项目的资助下，课题组围绕yolk-shell纳米结构功能材料的制备及相关性能研究展开了系列研究，取得了一系列优秀的研究成果，现已较为圆满的完成了项目计划任务，在SCI期刊源论文22篇，公开发明专利4项，授权专利3项。利用Yolk-shell结构中核（yolk）和壳层（shell）构成特殊结构，发挥核和壳材料的双重功能，同时又带来一些新颖的性质和催化行为的特性，发展了可控简便的方法来构筑金属、半导体以及复合组分yolk-shell纳米结构的高活性且功能可控的纳米催化材料材料，并根据需要对其进行修饰和结构优化。同时，深入研究材料结构影响催化性能的微观机制，指导催化材料的设计和构筑，给能源催化、有机催化等领域带来新的机遇并解决某些关键科学问题，具有重要的理论意义和实际应用价值。课题组制备出了Au-Pt双壁新型纳米管催化剂，并研究了Au-Pt双壁新型纳米管在有机同时催化方面的应用，相关工作得到了Chem.–Eur. J.编辑的高度评价，在此基础上，进一步开展了Au-Pt核壳结构催化剂的合成及在直接甲醇燃料电池中电催化性能的研究方面的工作，研究结果表明：Au-Pt核棒核壳结构较常见的Au-Pt核壳结构具有增强的催化活性。利用该思想，课题组成员又先后成功制备了拥有Yolk-shell纳米结构的Co/Pt/Co(OH)2、Au/Ag、AgVO3@AgBr@Ag等双层或多层核壳结构复合纳米材料，相关材料均表现出显著结构增强性能，有望在催化、传感器、疾病探测与治疗及生物医学等方面发挥潜能。