电子隧穿还原对溶液中贵金属纳米材料生长的影响

This project aims to propose and study a new reduction mode of metal ion in the electrodeposition growth system for noble metal nanomaterial, which is electron tunneling reduction. Different with classical reduction mode, this new reduction mode is that under some certain conditions, the electrons on the growth surface will tunnel into the solution and reduce the metal ions. The reduction of metal ions is the initiative stage of metal nanomaterial growth in the electrondeposition system, which will have direct and primary effect on the growth process. In this project, we will apply both experimental and theoretic methods to study the growth process of noble metal nanomaterial under electron tunneling mode. This study will discover the effect of electron tunneling reduction mode on material growth and obtain the corresponding growth mechanism. Using the particle-mediated growth induced by the electron tunneling reduction, this project also will study the shape control mechanism of hierarchical noble metal nanomaterials. Upon the study, this project will further discover and develop the growth theory of metal nanomaterial in the solution system, which will have important academic value.

本项目拟在贵金属纳米材料的电沉积生长体系中，提出和研究一种新的金属离子的还原方式，即电子隧穿还原。与传统生长理论中的还原方式不同，这种新的还原方式是指在某些条件下，生长表面的电子会通过隧穿效应将溶液中的金属离子还原。金属离子的还原是金属纳米材料在电沉积生长体系中生长的初始步骤，其还原方式会对材料的整个生长过程产生直接的根本性的影响。本项目将通过实验和理论相结合的方式，对电子隧穿还原下贵金属纳米材料的生长过程进行深入和细致的研究。通过研究揭示出电子隧穿还原这种新的还原方式对材料生长过程的影响，获得材料在新的还原方式下的生长规律和生长机理。并利用电子隧穿还原导致的颗粒聚集生长，研究贵金属超结构纳米材料的形貌控制机理。该项目的研究将进一步揭示和发展溶液中金属纳米材料的生长机理，具有重要的学术价值。

过去人们认为在电沉积法制备金属纳米材料的体系中，金属阳离子是和电极表面接触后获得电子被还原。本项目的研究目的是揭示和研究一种新的金属离子的还原方式，即电子遂穿还原。研究内容是研究离子接触还原和电子遂穿还原产生的实验条件，揭示电子遂穿还原产生的机理。在电子遂穿还原体系中，研究电子遂穿还原方式对贵金属纳米材料生长过程的影响。研究贵金属纳米材料在溶液体系中的颗粒聚集生长过程和形貌控制机理，基于形貌控制机理，用颗粒聚集生长方式，制备获得各种形貌的贵金属超结构纳米材料，研究超结构形貌对材料性能的影响。本项目对以上研究内容进行了细致和深入的研究，获得了以下重要成果：1）通过实验和理论模拟计算证实了电子遂穿还原的存在，获得了电子遂穿还原产生的条件和发生机理。降低电压、减小金属离子浓度、降低温度、减小溶液层的厚度等都可以是的金属离子的还原方式从接触还原向电子遂穿还原转变。其发生的机理是，电极表面的金属离子欠缺，电子通过遂穿的方式还原溶液中的金属离子。2）在传统的离子接触还原方式下，金属原子在电极表面上沉积生长，形成原子聚集生长模式。而在电子遂穿还原体系中，金属原子在溶液中产生聚集形核，并进一步通过颗粒聚集生长而长大。3）在颗粒聚集生长过程中，颗粒单元的晶体结构和形貌等对颗粒聚集生长过程和形貌有重要影响。颗粒单元尺寸在2.8纳米以下是非晶结构，会形成无取向性生长，而颗粒单元尺寸大于2.8纳米时为晶体结构会形成取向性附生生长。4）通过颗粒聚集生长过程的控制，获得了各种形貌的具有超结构的贵金属纳米材料，在表面增强拉曼散射和化学催化方面具有优异的性能。5）研究结果发表SCI论文10篇，还有2篇正在整理数据和写作中。培养研究生4名，支持5名本科生完成毕业设计。该项目的研究结果揭示了一种新的还原方式和还原机理，使人们更深入的认识电沉积体系中贵金属纳米材料生长过程和机理。关于颗粒聚集生长过程和形貌控制机理的研究为人们制备超结构纳米材料提供了理论指导。