多功能磁性纳米催化剂的逆向合成及其应用研究

Novel types of magnetically-recoverable multifunctional nanocatalysts with improved activity and high selectivity are greatly needed to reduce environmental burden arising from energy shortage and resource utilization. By building on chemical exfoliation and three-dimensional (3D) integration techniques, this project aims to develop novel bottom-up retrosynthetic protocals for the creation of magnetic multifunctional nanocatalysts with tunable basic building blocks: magnetic nanoparticles, catalytic noble metal nanoclusters and exfoliated single-crystal nanosheets. Improved ordering of these organized blocks could be attained with the introduction of high-strong magnetic field (up to 10 Tesla). Band energy gap and microstructures, such as pore sizes and bridged forms, of the as-synthesized hybrid nanostructures can be engineered systematically by controlling the combinations modes of these anisotropic building blocks. This project will clarify the microstructure/interface-property relationships in these novel hybrid nanocatalysts, and will provide an improved understanding of the origin of synergetic effects in multicomponent systems. The success of this project will also enhance nanofabrication techniques and nanoengineering discipline in China, accelerating creation of sustainable materials and technologies to the benefit of all Chinese people.

磁性材料性能受其电子能带结构和微结构影响，性质调控研究作为交叉前沿领域一直是众多学科（化学、物理、材料、生物和工程等）的重要研究课题。基于资源环境的考虑，催化材料应具有高活性、高选择性和高可回收性。本项目拟通过逆向思维设计和合成多功能磁性纳米催化剂，研究异质复合纳米材料的逆向合成工艺技术及其协同性质与微结构之间的相互作用关系，发展纳米工程学和催化科学，属于较强的前瞻性、探索性的应用基础研究领域。研究将以磁性纳米粒子、催化性的贵金属纳米团簇和半导体单层纳米片作为基本结构单元在强磁场强化下进行高度有序性地组装集成，获取具有可调微孔及大量异质界面的新型的复合多功能材料；探索制备多功能材料的新型化学路径及工艺技术；考察材料微孔及界面对催化反应性能的影响；研究不同物质间相互作用引起的协同性质。为研究、开发绿色催化材料和工艺技术等高科技领域及其它有广泛应用前景的多功能复合材料提供理论依据和应用基础。

能源的过渡需求和资源消耗所带来的生态环境恶化引起越来越广泛的关注。纳米领域研究的焦点由纳米科学和纳米技术逐渐转变纳米工程，使科研人员能按照需求以纳米粒子为基本结构单元进行复杂材料的设计和创造的梦想，为解决资源短缺和环境污染等制约社会可持续发展的不利因素带来新希望。纳米结构研究逐渐由单一功能发展到杂化多功能的复杂结构。物化性质研究由尺寸效应和量子效应转向为复杂的协同关联研究。合成技术也由简单的形貌控制合成演变为更加复杂的多功能杂化纳米 材料集成工艺技术。从工程学角度对材料在纳米尺度上进行逆向设计并把不同功能性的纳米结构单元组装到一起以达到获得新功能材料的目的。. 本项目主要研究了三个方面的内容。（1）基本结构单元的软化学合成和表征。开发出一种单分散磁性颗粒Fe3O4的溶剂热制备方法，获得过渡金属氧化物纳米片(NbMoO6-,Nb3O8-,TaWO6-)制备及其剥离过程研究。（2）多种纳米基元的强磁场诱导有序组装及微结构表征，考察不同种类纳米结构单元组装/集成为复杂结构的可能性﹑稳定性及影响因素。研究了Fe元素掺杂HTaWO6纳米管提高其热稳定性和催化活性，该纳米催化剂掺杂后具有良好的回收再利用性，且其对烷基化和酯化反应的催化转化率和选择性有明显的提高。同时发现强磁场下FeCl4-离子会有序排列，增加了BMIMFeCl4离子液体的有序性并降低了其电导能力。（3）多功能层状物质的磁回收性及催化性研究。获得了制备核壳结构磁回收性固体酸纳米催化剂Fe3O4@SiO2@HNbMoO6的层层自组装方法，并把其用于烷基化反应。. 项目的执行获得了制备纳米催化剂的新方法组装和集成，传统催化剂从晶体结构上的破缺和重整是获得新性质的有效方法，了解了不同物质间的相互作用对其催化活性提高产生协同效应的机制和原理。项目的成果为研究、开发绿色催化材料和工艺技术等高科技领域及其它有广泛应用前景的多功能复合材料提供理论依据和应用基础。此外，项目的成果可拓展纳米材料在新能源、节能减排和环境保护等新兴领域的发展，利于国家长远的可持续发展战略。