具有高指数晶面的金属纳米晶的可控制备、催化性能与热稳定性研究

本项目以金属纳米催化材料（金和钯）为研究对象，以金和钯纳米晶的可控制备、热稳定性的提高以及结构与催化性能之间的构效关系为研究主题。首先，我们采用胶体化学表面活性剂控制生长的方法，制备具有高指数晶面的金属纳米晶（金和钯），确定出最佳的表面活性剂结构及生长条件；然后，通过介孔氧化物壳层包覆的方法，改善高指数面的金属纳米晶的热稳定性能和催化性能；最后，通过催化性能的测试和比较，探讨金属中心与介孔壳层的相互作用，确定表面活性剂的结构、纳米晶生长条件、壳层结构和壳层成分对金属纳米晶形貌和催化性能的影响。本项目的研究，将揭示高指数面的金属纳米晶的合成规律，实现金属纳米催化材料的热稳定性和催化选择性的提高，建立评价金属纳米材料催化性能的模型反应。研究成果将对于认识和理解金属纳米晶的生长规律以及催化剂的纳米限域效应具有重要意义，同时为金属纳米材料的可控制备提供实验基础和理论指导。

金属纳米催化剂的催化活性对它的晶体尺寸和形貌有较强的依赖性，具有高指数晶面的金属纳米晶通常具有较高的催化活性，但高指数的晶面同时也存在稳定性较低的缺点。因此，具有高指数晶面的金属纳米催化剂的制备及其稳定性的提高是纳米催化领域一个亟待解决的问题。本项目围绕金属纳米催化剂的纳米特性、结构与催化效能的构效关系这一中心问题，设计和制备具有高指数晶面的高活性的金属纳米催化剂，应用胶体化学的基本知识和基本原理，制备出一系列不同结构的表面活性剂，利用不同表面活性剂与金属表面的作用力不同，控制金属纳米晶的高指数晶面的生长，探讨了金属纳米晶生长的可能机制和一般规律。首先，我们利用CTAC作为表面活性剂，成功的制备出具有催化和等离子体共振吸收双功能的多孔Au@Pd核壳纳米结构。Pd壳层是由许多具有高指数晶面的小的Pd粒子组成。我们探讨了表面活性剂的结构对Au@Pd核壳材料的形貌的影响，提出可能的生长机制。特别地，这种多孔的Au@Pd纳米结构作为催化剂，在甲醇电化学氧化和Suzuki偶联反应中都显示较高的催化活性和稳定性。此外，我们利用CTAB作为表面活性剂，成功地制备出具有高指数晶面的金纳米棒，考查了生长条件对产物形貌的影响。进一步，我们利用介孔二氧化硅壳层的包覆及核壳结构的形成，提高了高指数晶面的金纳米棒的稳定性。同时，我们改变壳层的成分，制备出一系列金纳米棒@硫化物和金纳米棒@聚合物核壳纳米材料。通过对材料的气敏、催化和稳定性的研究，探讨了壳层与金属中心的相互作用机制。通过本项目的研究，进一步提高了我们对金属纳米材料的生长规律的理解，改善了金属纳米材料的催化性能和稳定性，研究了核壳结构中不同成分的相互作用对材料性能的影响, 顺利完成了预期的研究目标。相关研究结果已在国外相关的学术刊物（如Small, Langmuir, Nanoscale等）上发表了4篇SCI研究论文，被引用30余次。