双元过渡金属纳米粒子的可控制备、原子排列和特性研究

Binary transition metal nanoparticles have attracted great attention during the past years due to their special magnetic and catalytic properties and application potentials. Thus the research for the controllable synthesis, atomic structures and peculiar properties is of great scientific importance and application values. In this project, bimetallic nanoparticles with different composition, shape, size and structure will be synthesized through several chemical methods, including thermal decomposition, galvanic replacement, seeded growth etc. Based on the investigation of the relationship between the synthesis method, conditions, morphology, size, chemical composition, and structure of the synthesized nanoparticles, we will develop the controllable synthesis method for the fabrication of bimetallic nanoparticles with specified structures. The morphology, size, microstructure, composition and electronic structure of the nanoparticles will be explored with advanced transmission electron microscopy (TEM) at various length levels. The atomic position on the surface of the nanoparticles will be quantitively studied, combining with in-situ catalytic study. The difference of catalytic, magnetic and optical properties between the bimetallic nanoparticlesand their monometallic counterparts will be measured and then the relationship between property and structure will be studied. The objective is to establish a comprehensive and integrated research with sequence of synthesis, composition, structure snd property assisted with computing simulation, and to reveal the deep physical mechanism of the dependence of magnetic and catalytic properties to atomic structure and electronic structure, which will propel the application of nanoparticles in information, energy and catalytic areas.

双元过渡金属纳米粒子在磁学、催化等方面具备优异的性能，开展其可控制备、原子结构和特性研究具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟采用热分解还原、置换等湿化学方法，制备多种形态和结构可控的双元过渡金属纳米粒子，探究合成方法和条件对粒子的形态、尺寸、结构、成分等的影响规律，发展特定结构双元过渡金属纳米材料的可控制备方法；综合采用多种先进的电子显微分析方法，多尺度表征粒子的组分、原子结构、缺陷、电子结构等；运用球差校正电镜，定量分析纳米粒子的原子排列，原位研究其催化反应；测量纳米粒子的催化、磁学、光学等性质，比较特定结构的双元金属纳米粒子与单一成分、结构纳米粒子的催化、磁学、光学等性质的差异，探索结构与性质间的相互关系，结合模拟计算，开展纳米粒子的制备-成分-结构-特性一体化研究，揭示纳米粒子的原子结构、电子结构影响其磁性和催化活性的的物理本质，推进其在信息、能源、催化等领域的应用。

随着社会经济的高速发展和化石能源的快速消耗，寻找高性能或高容量的信息或能源存储与转换材料，成为当前的研究热点。双元过渡金属纳米材料体系，由于不仅可以增强某一特定性能，而且可以实现多种功能的集成，在信息、能源、催化等领域有着广泛的应用前景。开发制备高性能的双元过渡金属纳米结构，并探究其结构与性能之间关系，具有重要的科学意义和应用价值。. 我们提出了一种简单易行、环境友好的水体系化学还原制备双元过渡金属纳米材料的新方法，该方法可在材料形貌、大小、结构和组份上实现调控。制备了高质量的Pt/NiPt和NiPt纳米空心球、NiPt单层和双层纳米碗、FePt空心球链等纳米结构，深入研究了材料微结构与其磁性、催化等性能之间的关系。.采取了一种在有机溶液相中热解过渡金属有机物的方法制备了具有单分散性高、特定暴露晶面和结晶性好等特点的双元过渡金属纳米粒子。获得了NiPt、NiPt2、CoPt截角八面体、NiAu哑铃结构、Au@Ni核壳结构和NiAu合金结构等粒子，深入研究了双元过渡金属纳米材料的生长参数、形成机理以及性质与其微结构之间的构效关系，开展了部分双元过渡金属纳米材料在磁性方面等的应用研究。在此基础上，提出了设计、制备具有单晶壳层、大晶格失配度的金属-半导体核壳结构的新方法，合成了具有单晶壳层的Au@Ni12P5纳米晶，在能源等领域表现出优异的性能。. 我们利用双元纳米结构单元间的耦合效应和协同效应，制备了高性能的能源存储或转换材料，如Ni(OH)2@Co(OH)2纳米环、Ni0.25Co0.75(OH)2六方纳米片、层级多孔结构NiCo2O4微球、泡沫镍负载的三维毛毛虫形状的NiCo2S4分层阵列结构等，构建了一些性能优异的纳米器件，探索了其在能源存储和转换等领域的应用。. 在NPG Asia Mater、Nano Energy.等刊物发表SCI论文35篇；在国际学术会议做Keynote报告2次、邀请报告14次，在全国专业学术会议做大会报告2次；组织国际学术会议5次；授权国家发明专利2项；培养博士研究生10名、硕士研究生6名。申请人2016年获中国材料研究学会“科学技术奖一等奖”，建立了磁光电复合材料与界面科学北京市重点实验室。