金属-ZnO复合纳米晶的合成及光催化性能研究

In this project, the fabrication of metal-ZnO hybrid nanostructures, in which ultrafine metal nanoparticles(less than 5nm) and zinc oxide nanocrystals are rationally combined at the nanoscale, would merge their optical and electrical properties and provide the potential for exploration of high efficient photocatalytic materials. The mild solution-based strategies will be introduced for the controlled synthesis of high-quality ultrafine metal(Pt, Cu, Ni and AuCu alloy)-ZnO hybrid nanostructures with well-defined facets, uniform size and shape. In addition, the as-prepared hybrid nanocrystals can also be used as 'artificial atoms' to fabricate three-dimensional (3D) porous superstructures based on the bottom-up assembly strategy. Subsequently, the structure-activity relationships of hybrid nanocrystals and their assemblies will be investigated in details. By understanding the essence of the catalytic reaction at the atomic or molecular level, the as-obtained hybrid nanocrystals with robust interfaces, maximized interface area and the different exposed crystal facets, would serve as excellent nanocatalysts with high activity and stability.

本项目拟在纳米尺度上对超细金属纳米粒子（<5nm）和ZnO纳米材料进行合理组合，有效集成二者的光、电性质，期望获得具有高光催化活性的金属-ZnO复合纳米结构。探索反应条件温和的液相合成技术，调控合成具有特定形貌的高质量超细金属（Pt、Cu、Ni及AuCu合金等）-ZnO复合纳米结构，并以此为结构基元构筑具有多孔结构的三维（3D）组装体。在此基础上，研究复合纳米晶微观结构（尺寸、组成、接触界面及暴露晶面等）以及三维超结构与催化活性的构效关系，在原子、分子层次上研究和理解其催化过程的本质，为开发具有稳定界面结构、高接触面和不同暴露晶面的高效的复合型光催化纳米材料奠定基础。

将尺寸均一的金属纳米晶与特定形貌的氧化物纳米材料进行有效组合，有望理性构建具有特定物理、化学性能的金属-氧化物复合纳米结构。 本项目中， 基于液相合成方法首先合成了不同种类的金属纳米粒子及形貌各异的氧化锌等氧化物纳米材料。在此基础上，制备出金属-氧化锌等纳米复合物，其显示出优异的光催化性能，有望揭示其微观结构（尺寸、组成及暴露晶面等）与催化性能之间清晰的构效关系。主要工作如下：.1. 采用简易的溶剂热法合成了形貌可控的ZnO纳米材料。相比较而言，在水热体系中，根据所采用的锌源不同，可以获得具有不同孪生结构的氧化锌材料。在此基础上，我们详细探讨了所合成ZnO的生长过程和形成机制。此外，考察了所制备的孪生结构ZnO的光学性质及光催化性能。值得注意的是，孪生棒状ZnO的光催化速度最快，相比之下，孪生片状ZnO样品则需要更长的光催化反应时间，这与其不同的形貌和尺寸密切相关。.2. 具有准确原子数的金属纳米团簇的合成为从原子、分子水平上理解催化的过程及本质提供了可能。发展了精确原子金团簇的合成方法，开展了金团簇参与催化有机反应的初步研究工作。以所合成的原子数准确的Au25团簇为电子转移催化剂，探讨了其催化2-硝基苯甲腈的还原反应过程。通过液相合成方法，制备了超细Pd纳米颗粒及钯基合金纳米粒子（PdNi、PdAg、PdCu等）。实验结果表明，钯基合金纳米催化剂在Suzuki及Miyaura-Heck等催化反应中表现出明显的组分依赖性。进一步研究指出，由于不同金属间的协同效应，合金催化剂具有优于单一金属的催化性能且反应后催化剂易回收再利用。.3. 发展了金属/氧化物复合纳米晶的理性合成策略。通过将预先合成的单分散纳米Au颗粒沉积在所制备的藕棒状ZnO氧化锌材料表面，最终制备了藕棒状Au-ZnO的独特复合结构。同时，以预先制备的原子数准确的Au25与多孔结构的ZnO复合，制备了Au25-ZnO复合纳米材料。考察了Au25团簇负载量与所得到复合纳米晶光催化性能的相关性，并提出了复合纳米结构可能的光催化机理。此外，采用类似的合成方法，分别获得了超细Au团簇/氧化铈及Au/氧化亚铜复合胶体球。