基于竞争柯肯达尔效应的新颖纳米空心异质结构的设计、制备及其光电、催化性质研究

Recently, hollow nanocrystals have attracted a great deal of attention due to their potential applications in Lithium-ion batteries, catalysis, sensor, photoelectric converting, drug delivery and so on as a result of their features such as large surface area and low density. At present, design and synthesis of heterostructured hollow nanocrystals is a natural step after the success has been achieved in the synthesis of hollow nanocrystals at large scale. In this research proposal, a new method is intended to develop for the fabrication of heterostructured hollow nanocrystals based on competitive "Kirkendall effect". Heterostructures composed of two components with different reactivity will be employed as reactants here. The location and the morphologies of such components in the products will be controlled through the manipulation of the relative position, size of the two components as well as the kinetic of the reaction. The objective of this kind research is developing a controllable way for the synthesis of hollow nanomaterials and studying their photovoltaic and catalytic properties, accumulating fundamental information on the design of nanoscale device and efficient visible light-drived photocatalysts.

近年来，纳米空心结构因具有比表面积大、密度低的特点，在锂离子电池、催化传感、光电转化、药物传输等领域显示出良好的应用前景而受到广泛关注。此类结构现已可以通过不同方法进行大量制备，发展基于此类结构的异质结构的构筑方法，丰富它们的性能已成为纳米科学发展的趋势之一。本课题拟设计纳米尺度的竞争柯肯达尔效应，即同一纳米结构不同部分发生柯肯达尔效应的速率不同（反应底物为纳米异质结构），通过调节异质结构各组成部分的相对特点（反应活性、位置、尺寸）及反应动力学，来控制各组分在产物中的相对位置和存在形貌，发展一种形貌可控的纳米空心异质结构的制备方法，研究产物在不同组分相互作用下的光电学和催化等性质，实现相关性质的调控，为纳米器件研究和高效稳定的（可见）光催化剂的设计提供实验基础。

本项目以柯肯达尔效应为基础探索合成新型的微纳结构，并研究它们在化学催化和电催化活性，揭示微纳结构中具有催化活性成分的大小、成分和形貌等因素对催化剂催化活性的影响，为设计合成高效的催化剂提供理论和实验基础。在大量实验的基础上，课题组成员成功制备出了SiO2包覆的空心Co-N-C异质结构，Mo-Ni合金和还原石墨烯支撑的AgPd等结构，对其运用XRD、SEM、XPS、TEM和HRTEM等技术进行了表征，探索了这些具有催化活性的纳米颗粒的大小、成分和形貌等对其催化性能的影响，例如我们发现SiO2包覆的空心Co-N-C异质结构是一类高效可循环使用的促进氨硼烷水解产氢的催化剂，并且发现SiO2的包覆可以提供更多的比表面积供原位产生的Co纳米颗粒成核生长，使Co纳米颗粒的粒径更小，同时提高Co纳米颗粒分布的均匀性，这为设计合成其它的负载催化提供了思路。另外，我们发现还原石墨烯支撑的AgPd纳米颗粒是适用于酰胺邻位C−H键和烯酯的烯基化反应，催化剂中Ag/Pd的比例对催化剂的活性起着决定性的作用，值得一提的是，这种负载的合金催化剂在催化C-H活化时具有优良的可回收性，最后我们发现催化剂Mo-Ni合金纳米颗粒是一类稳定高效的双功能电化学水解的催化剂，在碱性条件下的它的催化活性和商业化的Pt-C相当。