多金属氧簇/石墨烯纳米复合材料及其催化氧化性质研究

石墨烯是一种新型的二维平面碳质纳米材料，具有超大的比表面积、优异的电子传输性质、高机械强度及化学稳定性。多金属氧簇是一类形态多样、结构确定、纳米尺寸的无机簇合物，具有独特的电子结构和丰富的功能特性。如何将这两种材料的优异性质结合，获得新的复合材料并产生新的协同功能作用具有重要意义。然而，由于不相容性，难于将它们以确定方式进行复合。在本项目中，我们拟通过对两个组分进行各自修饰，利用分子间相互作用将多金属氧簇组装到石墨烯的特定修饰位点上，获得具有协同功能作用的纳米复合材料。我们将系统研究多金属氧簇类型、修饰基团、分子间相互作用方式、溶剂极性环境对复合材料结构的影响，阐明制备条件和材料组装结构以及组分性质之间的关联。在此基础上，通过选择醇类底物，探索复合材料在溶液和电极表面催化氧化性质，并通过调整复合材料结构来优化其催化效果，为设计和开发新型的多金属氧簇碳基催化材料提供新的认识。

多金属氧簇和石墨烯是两类典型的纳米材料。多金属氧簇具有优异的催化性质，是已经工业化的催化剂。另一方面，石墨烯是由sp2碳组成的单层原子晶体，拥有超大的比表面积、超快的电子传输性质、高机械强度及化学稳定性，非常适于作为催化剂载体。将这两类材料复合，有望实现它们功能的互补，并获得新型催化材料。本项目致力于发展合适的组装方法，制备具有协同催化性质的多金属氧簇/石墨烯复合材料。基本的研究思路是通过非共价作用将多金属氧簇修饰到石墨烯表面，通过改变簇表面的有机配体来调节复合材料的堆积结构和微环境，使簇在复合材料中展现出增强的催化性质。在项目执行期间，我们完成了如下工作：1、从实验上发现了多金属氧簇与石墨烯之间存在着强的吸附作用，揭示了这种作用是由于簇与sp2碳之间的电子云偏移造成的，由此提出了一种新的超分子作用力，即M-O-π作用；2、以M-O-π作用为驱动力，发展了三类多金属氧簇/石墨烯复合材料，即：裸簇/石墨烯、簇基复合物/石墨烯、簇基聚合物/石墨烯复合材料；3、将光或电化学还原等绿色还原法引入石墨烯复合材料的制备，提高了制备方法的环境友好性；4、通过调节复合材料中簇外围抗衡阳离子的尺寸和分子结构，从无机阳离子过渡到有机阳离子小分子以及阳离子聚合物，使复合材料展现出不同的插层结构、孔隙率和表面极性；5、在复合材料中实现了多金属氧簇电催化性质的显著增强，可用于高性能锂电池正极材料。