金属氧化物空心纳米材料基于模板转化过程的结构和性能调控

Structure- and property-controlled synthesis of hollow metal oxide nanomaterials is a significant approach for enhancing their performances and promoting their practical applications. Based on the conversion process from precursor self-templates to metal oxides, the project focuses on the regulation of structures and properties for metal oxide hollow nanomaterials. For the target to obtain promising hollow metal oxide nanomaterials with optimized performance for their applications, this project includes the following four parts: (1) The exploration of the materials that are suitable to server as precursors for the synthesis of metal oxide hollow nanostructures, and the development of the synthetic method for the precursor template nanocrystals with controllable shapes and sizes; (2) Design of rational conversion process from precursor self-templates to hollow metal oxide nanomaterials, and construction of the research system for the structure-controllable metal oxide nanomaterials; (3) Based on the structure controlled synthesis, the relationship between structures and properties of hollow metal oxide nanomaterials will be investigated; and hollow metal oxide nanostructures with optimized properties will be designed in turn; (4) With the design of functional nanostructures and integration of the several structural features, the application researches for the obtained metal hollow oxide nanostructures in the fields of catalysis, energy conversion and sensors will be conducted. The project presents strong interdisciplinary and will provide important guidance for the rational design and application of the metal oxide hollow nanomaterials.

金属氧化物空心纳米材料的结构和性质控制合成是提高其应用性能并推动其实际应用的重要方法。本项目基于前驱物自模板的转化过程控制，致力于金属氧化物空心纳米材料的结构和性质调控，以获得具有良好应用前景的高性能金属氧化物空心纳米结构为主要目标，研究内容主要包括如下四个部分：（1）探索合成合适的前驱物模板纳米晶体，并实现对前驱物模板的形貌和尺寸控制合成；（2）设计合理的从前驱物模板到目标金属氧化物空心纳米结构的转化过程，构筑能够控制金属氧化物空心材料结构参数的研究体系；（3）建立在结构可控合成的基础上，研究各结构参数对金属氧化物空心纳米材料各种性质的影响，从而力求指导合成性能优异的金属氧化物空心纳米结构；（4）通过功能结构设计，整合多种结构特性，开展金属氧化物空心纳米结构在催化、能源、传感器等相关领域的应用研究。项目学科交叉性强，通过项目实施可以为金属氧化物空心纳米材料的合理设计与应用提供重要指导。

金属及其氧化物纳米材料基于空心/内凹/核壳等结构的控制合成是提高其应用性能的有效方法。本项目致力于通过控制模板的转化生长过程，实现金属或金属氧化物空心/内凹/核壳纳米材料的结构和性质调控，以获得具有良好应用前景的高性能金属或金属氧化物纳米材料。代表性研究成果如下：（1）以制备得到的TiOF2立方体为前驱物模板，通过热分解处理制备得到具有空心结构且{001}晶面裸露的TiO2纳米盒子。在热处理过程中引入尿素作为氮源，成功将N元素掺杂入制备所得的TiO2空心纳米盒子的晶格中，实现该材料对可见光的响应，在利用可见光进行光催化方面体现出极高的应用前景。（2）以纳米Au三八面体为模板晶种，利用表面活性剂对其侧面的保护作用，通过调控反应动力学，使得溶液中Au原子选择性在其顶点和棱上沉积，制备得到具有高度内凹结构的Au纳米结构。该结构具有高比表面积和高能{110}裸露晶面，在催化硝基苯酚加氢反应中体现出极高的活性。（3）以合成得到的高长径比Te纳米线为模板，引入Rh阳离子盐作为前驱物，通过金属置换的方法制备得到RhTe合金空心纳米管。通过改变Rh前驱体的用量便可实现RhTe纳米管的厚度控制。（4）在油相体系中利用配体抗坏血酸对Rh3+的选择性配位作用，成功逆转Cu2+与Rh3+离子还原电势，从而实现Cu2+离子先被还原生成纳米内核，随后Rh原子岛状沉积在其表面外延生长，一步合成Cu-Rh异质核壳海胆状纳米结构。在催化CO氧化过程中，该异质结构能够将CO和氧气的竞争性吸附和活化步骤有效分离，使得CO选择性在Rh纳米枝表面上吸附，而氧气则在裸露的Cu表面吸附并活化，反应速率得到了大幅度提高。本课题为开发高催化活性的金属及金属氧化物纳米材料进行了积极的探索。项目实施过程中，在Nano Lett.，Chem. Soc. Rev.，Nanoscale，ChemCatChem等国际知名学术期刊上发表了SCI收录论文5篇，申请了国家发明专利3项。