铑及铑基合金纳米晶高表面能晶面结构调控及催化性能的研究

Noble metal catalysts have been applied in wide range of fields including chemical industry and environmental protection owing to their fascinating catalytic properties. However, suffering from high cost and rarity, it is necessary to develop new catalytic materials with high reactivity and selectivity in order to minimize the usage of noble metals. Here, we propose the following researches using rhodium or rhodium based alloy nanocrystals (NCs) as the main object to achieve this aim of promoting their catalytic performance. In the project, we will study on controllable chemical syntheses of noble metal rhodium based NCs with specific component, morphology and surface structure, especially, focus on the crystal growth of Rh based NCs with high-energy facets thermodynamically and kinetically. We will also study catalytic properties of Rh based NCs with different component and exposed surface structure by taking several typical catalytic reactions as benchmark. We believe that the research resultfindings will provide guidance and important knowledge in the rational design and synthesis of noble metal catalytic materials for with low cost and high performance noble metal catalytic materials through the implementation of the proposed project.

贵金属催化剂因其优异的催化性能广泛应用于化学工业和环境保护等领域，而由于高成本和资源匮乏，如何提高贵金属催化剂的性能（活性和选择性）、降低贵金属的用量成为相关领域迫切需要解决的关键科学技术问题。本研究项目拟以贵金属铑纳米晶及铑基二元合金纳米晶为研究对象，以优化催化性能为目标开展铑（Rh）及铑基合金纳米晶的表面结构的调控研究；从晶体生长热力学和动力学两个方面，探索高表面能晶面暴露的Rh基纳米晶的制备方法；以典型的催化反应为探针，研究不同组成、裸露晶面贵金属Rh基纳米晶的催化性能及表面结构与催化性质的构效关系。相信通过本项目的实施一定能为低成本和高性能贵金属催化剂的理性设计与制备提供重要指导，深化对热力学亚稳结构纳米晶微观晶体生长机制的认识。

在过去20年间，国内外科学家在贵金属纳米晶体尺寸和形貌控制方面的研究取得了很大的进展。但是，对贵金属纳米晶体的表界面结构的调控则较晚。合成具有特定结构，尤其是具有开放结构、高密度台阶原子的高表面能晶面裸露的贵金属纳米晶是一项具有挑战性的前沿研究课题。本项目则针对这一前沿难点，以贵金属中内聚能最大的Rh为研究对象，以优化催化性能为目标开展Rh基纳米晶的表面结构的调控研究。相关研究取得了系列重要进展：1）通过对纳米晶的形成机理的探索，提出并发展了系列合成策略，构筑了具有高表面能{110}晶面裸露的Rh及RhNi纳米晶，具有五重孪晶结构的Rh二十面体及由1D孪晶纳米棒构成的Rh纳米枝，具有大比表面积、高密度低配位台阶位的Rh纳米球，以及2D超薄分形结构的Rh纳米片；2）在这些合成策略基础上，进行改进、拓展，进一步用于指导具有明确结构Pt及Pd基纳米晶的合成，并成功得到了具有3D分形结构的PtAg八面体，孪晶二十面体Pt纳米晶，六方晶相的PtNi纳米晶，以及比例可调且稳定的PdHx纳米晶；3）以典型电催化反应为特征探针反应，厘清不同结构Rh基纳米晶对于电催化氧化乙醇反应活性、选择性的影响，明确了晶面、组分、晶格应力等结构参数对于催化反应的作用机制。. 项目执行期间，共发表基金标注SCI论文12篇，其中包括J. Am. Chem. Soc. 1篇、Nature Commun. 1篇、Nano Energy 2篇，Acc. Chem. Res. 1篇。此外还应邀为“Metallic Nanomaterials （Part B）”一书（De Gruyter出版社）撰写相关章节。