"蛋黄-蛋壳型"金属氧化物纳米反应器的可控制备及催化特性

Yolk-shell strucutured nanoreactor is being intensively studied due to its superior catalytic activity and shape selective ability. There are some shortages, such as limited core types (commonly noble metal nanparticles), limited structures type, and untunable void size, etc. in the present synthesis method of yolk-shell strucutured nanoreactor. An easy, general method is desirable to produce yolk-shell strucutured nanoreactor. In addition, structure parameters of yolk-shell structured nanoreactor (such as the core types, core structure, void size) that influence the catalytic properties were not systematic studied. In this project, we will develop a polymeric-carbon assisted method to produce void size tunable yolk-shell strucutured nanoreactors and then expand the scope of application of the method to various types of metal oxides with different structures. In addition, thanks to the superiority of the present synthesis method, noble metal nanoparticles can be introduced into the yolk-shell strucutured metal oxide nanoreactor in the synthesis process to obtain binary core nanoreactors. The catalytic properties of various yolk-shell structured metal oxide nanoreactors will be also studied. The influence of types and structures of core, thickness and pores of shell, and void size to the catalytic properties will be deeply explored. We believe that the work will supply theoretic guide to the future nanoreactor synthesis with high catalytic activity and novel shape selective ability.

由于其出色的催化性能，"蛋黄-蛋壳型"纳米反应器正日益成为纳米材料研究领域的热点之一。然而，现有的"蛋黄-蛋壳型"纳米反应器的合成方法存在内核种类单一（主要为贵金属纳米颗粒）、结构较简单和空腔尺寸不可调等缺点。另外，纳米反应器中各种结构因素，例如内核的结构、空腔的大小、壳层的孔道等，对催化性能产生的影响目前也缺乏系统的研究。本项目拟发展一种高分子碳辅助的制备方法，以制备空腔尺寸可调的"蛋黄-蛋壳型"纳米反应器，并将内核种类扩展至具有各种不同形貌的金属氧化物。此外，利用本项目的合成方法还可以在金属氧化物纳米反应器制备过程中引入贵金属纳米颗粒，得到具有二元内核结构的纳米反应器。之后，本项目将进一步研究各种"蛋黄-蛋壳型"金属氧化物纳米反应器的催化性能，系统的归纳内核种类和结构、壳层厚度、壳层孔道及空腔尺寸等因素对催化性能的影响，为具有高活性和选择性的纳米反应器的设计提供理论基础。

通过本项目，我们发展了一种通过碳包覆法制备“蛋黄-蛋壳”型纳米反应器的方法，该方法可以通过控制碳模版的厚度来调控纳米反应器空腔的大小，而且空腔的尺寸对纳米反应器的催化性能有特定的影响。通过该方法，我们得到了一种典型的梭形Fe2O3@介孔氧化硅“蛋黄-蛋壳”型纳米反应器，并对该反应器的结构和性能进行了详细的表征，从而为碳模版法制备“蛋黄-蛋壳”型纳米反应器提供了实例。另外，我们还可以通过改变反应条件，在介孔氧化硅壳层内引入多元核材料，且核之间的位置与空间分布都可以精确调控，从而实现不同的性能。在得到的Au-Fe2O3@介孔-SiO2纳米反应器中，Au纳米颗粒和梭形Fe2O3两种核并包覆在同一个介孔氧化硅核内并以非接触方式存在。该Au-Fe2O3@介孔-SiO2纳米反应器在催化Fenton反应降解亚甲基蓝时表现出了比单独的Au核和Fe2O3核都要优异的催化效果，表明Au纳米颗粒和梭形Fe2O3即使是以非接触方式存在于介孔氧化硅壳层内，仍然具有协同催化效应。这一非接触型协同催化效应在以往的催化剂中很少被发现，而我们制备的“蛋黄-蛋壳”型纳米反应器为这一效应的发现提供了平台。这一非接触协同催化效应为催化剂的设计与制备提供了新思路。