低维异质纳米结构的构建及其磁学与电催化性能调控

Low dimensional (LD) nanomaterials show great of potential applications in information storage, and photo-eletrical devices, has attracted intensive interests. Note that LD heteor-structured nanomaterials (0D and 2D) possess high specific surface area, and peculiarly interfacial and coupling interactions, produing new physical effects, which can povide unique and enhanced magnetic or electrochemical catalytic properties, thus the study on LD heterostructured nanomateirals is of great significance and application potential. In the proposed project based on the specific physico-chemical properties of LD hetero-structures, aimed at the key scientific questions, we will develop the controlled synthesis pathways of LD hetero-structured nanomaterials to reach a synergistic regulation of the dimension, size, morphology, crystallization and interfaces of the LD hetero-structures, and to explore the intrinsic structure-activity relationship between the interfacial structure, electronic and micro-magnetic structures and the apparent performances of the LD hetero-structured nanomaterials systematically, and to examine the basic modulating methods of their magnetic and electrochemical catalytic properties to develop novel LD structured functional materials, thus providing academic fundamentals and realizing wider applications of the LD hetero-structured nanomaterials in the information storage, clean energy and biomedicine.

低维纳米材料在信息存储、光电器件等领域展现出巨大的应用潜力，成为近年的研究热点之一。而低维（零维和二维）异质纳米结构不仅具有高的比表面积，而且其独特的界面与耦合作用，有望产生新的物理效应，获得新的或增强的物理化学特性，因此开展该类材料的研究具有重要的科学意义和应用价值。本项目基于低维纳米结构的特殊结构和优越的物化性质，针对低维材料构效关系的核心问题，发展低维异质纳米结构的可控制备方法，深入研究反应条件、表面结构、界面能等因素对材料成核与生长的影响规律，在维度、尺寸、形貌、结晶性和异质界面等多个方面实现协同调控。系统探索其界面结构、电子结构及微磁学结构与材料表观性能的构效关系，发现低维异质结构与其性能的关系规律。旨在建立低维异质结构的磁性及电催化性能的调控机制，进而设计和发展新型功能材料，为其在信息存储、清洁能源和生物医学等方面的应用奠定工作基础和理论支撑。

低维异质纳米结构由于其高比表面积与独特的界面耦合作用，在新能源、信息存储等领域具有巨大的应用潜力，构筑并深入探究低维异质结构的磁性及电催化性能具有重要的科学意义和应用价值。本项目的主要研究内容包括低维纳米结构的制备和异质结的构筑，通过多种手段研究并调控其磁学和电催化性能，探究其结构与性能之间的构效关系。利用液相合成，化学气相沉积等方法，本项目可控制备了多种低维纳米及异质材料，包括Ag+掺杂CdSe纳米晶，Cu-S1N3单原子界面催化剂，二维金属氢氧化物，二维铁纳米片等，探究了不同反应条件和环境对纳米结构形貌和性质的影响，利用离子交换过程动力学等手段实现了对低维纳米结构的性质调控，采取非磁性掺杂方法得到了磁光耦合及磁性能调控的新途径和新原理。在此基础上，通过高温液相法，水热离子交换法等制备方法，在传统方法的基础上发展了异质界面精准合成的策略，通过精确调控合成条件，设计异质结合成路线，构建了包括双面型Au-Fe2C，Au@CdS核壳纳米晶，Au/CdSe纳米棒等异质结构，深入探究了反应机制及异质结界面的耦合效应，并且这些异质结构具有优异的磁性能、光吸收性能或催化性能，表明异质界面的构建有利于优化材料的性能。进一步团队利用低维异质纳米结构材料的独特的界面结构、电子结构等调控磁学和电催化性能，得到了铋、铜、钴等单原子电催化剂，利用原位电镜等手段观测到了MOF转化为金属颗粒并在氨气辅助下转化为金属单原子的过程，所得到的催化剂在CO2RR、OER过程中展现出高活性和低的过电位，通过基于同步辐射的X射线吸收精细结构(XAFS)研究以及密度泛函理论(DFT)计算，表明单原子电催化剂提高了有效活性位点。该项目为低维异质结构的磁性能与电催化性能的调控机制奠定了基础，在信息存储、清洁能源与生物医学方面具有广泛的应用前景。