多级复合纳米金属/合金异质织网结构的构筑与性能研究

Metal/alloy hetero-nanostructures with high porosity combine the advantage of nanoalloy and special transfer behavior of electrons between surfaces of heterostructured meshwork, and will lead to the outstanding physics and chemistry properties for the applications at catalysis, separation, sensing, surface enhanced scattering, and so on. The attention of this project will focus on the hot point and difficulty in the front of science research field. Employing two way, the method of alloy nanowires pre-implanted mesoporous templates and the growth of seed inducing graft, using insitu reduction and insitu galvanic replacement, we expect to realize the architecture of the hierarchical composite metal/alloy hetero- nanostructured meshwork. Furthermore, the meshwork nanostructure of amorphous alloy is also desired to be constructed. The structure and properties will be investigated, the formation mechanism will also be analyzed, and the relationship between composition/structure and properties is expected to be found. This work does not only can construct the new nanomaterials with new structures and innovate the new strategy for the prepare of nanoalloys, but also explore the application field of nanoalloy owing to the as-obtained new properties induced by the hierarchical composite metal/alloy hetero-nanostructured meshwork, and it will contribute to the development of nanoscience and nanotechnology.

纳米金属/合金异质织网结构具有极高的孔隙率，兼备了纳米合金材料的优势和异质织网结构界面间电子的特异传递行为，会表现突出的物理和化学特性而在催化、分离、传感和表面增强散射等科学领域有重要的应用潜力。本项目拟针对世界科学前沿研究领域中的热点和难点问题， 采用预植合金纳米线介孔模板法和溶液环境种籽诱导接枝生长法两条途径，利用原位还原、原位电位置换等纳米化学技术进行异质纳米线的编织与布孔处理，制备一系列多级复合纳米金属/合金异质织网结构材料，并探索纳米非晶态合金织网结构材料的构筑。研究材料的结构和性能，分析其形成机理，进而探索材料组成、结构与性能的相关性。课题不仅能构筑出新结构和新材料，在纳米合金材料制备方法学上也具有创新性,而且所获得的多级复合纳米合金异质织网结构将产生的新性质拓宽了纳米合金材料的应用领域，这将为纳米科学和技术的发展做出积极的贡献。

借助金属基一维纳米材料的电子结构特性及其异质交织结构的结构特点，课题实现了优异催化性能的”金属/合金-碳”复合体系的系列异质织网纳米结构的可控制备，并将其应用于环境水体中污染的降解转化与氢能物质产氢的催化性能研究，取得的创新研究成果主要包括：1)通过“结构调控-元素刻蚀方法”与”异质界面的种籽生长技术”，构筑了“金属-合金&半导体”体系由一维纳米基元组装成的三维多级异质线网纳米结构，这类材料在降解对硝基芳香烃类和氯代烃类环境污染物方面表现出高效的催化活性，为环境保护探索了新方向；2) 基于自催化生长-磁诱导组装技术，成功实现了“贵金属-合金”体系系列一维纳米基元形成的类海胆状三维多级纳米异质织网结构新材料，这种超结构材料显著提高了对氢能物质产氢催化反应的活性，有效解决了典型富氢高能物质的高效催化可控产氢问题; 3)提出了“界面吸附-原位还原”新方法，借助碳材料的吸附与导电等特性，构筑了“贵金属-合金”、“合金-金属氧化物”以及“合金-石墨烯”体系不同系列二维纳米薄层结构，这些材料对碱性体系中催化甲醇氧化、催化水合肼产氢以及环境污染物对硝基芳香化合物的转化有不俗表现，这对甲醇燃料电池电极材料和氢能的发展以及环境保护具有重要意义；4) 拓展了“相转移还原-导向剂调控-溶剂热”合成方法，首次实现了“铁系合金/贵金属”二十面体单晶等特殊三维纳米结构的调控制备，所设计的材料在催化产氢和助光降解方面展现出卓越的晶面选择性催化活性。通过对其化学反应催化活性、电催化活性和光催化活性等性质进行细致研究，探明了材料组成/结构与性能的相关性。此外，课题还拓展了用于锂离子电池负极材料的rGO/Sn2Fe-NRsArray/rGO层间纳米结构复合材料；基于碳纳米管的结构和性能，及其与金属和金属碱式碳酸盐多重异质结构的界面效应对电化学催化效能的增强作用，设计和制备了夹层结构的CNT@Ni@Ni2(CO3)(OH)2混合型超级电容器电极材料，这种多重界面的新型金属-碳体系异质复合结构纳米材料表现出突出的高容量下的长循环稳定性。