Cu及合金纳米团簇的制备及其电催化和荧光性能研究

In this project, by changing experimental conditions and using seperation techniques for nanoclusters, Cu and alloy nanoclusters with different core sizes(<2 nm) and compositions will be synthesized with chemical reduction method. Based on the size and structural characterizations, the double layer quantized charging properties of Cu and alloy nanoclusters will be investigated,providing the systematic result of electron transport in copper and alloy nanoclusters with different core sizes and compositions.The size- and composition-dependent electrocatalytic properties of the synthesized nanoclusters and the catalysis mechanism will be studied by various electrochemical techniques, providing new idea and direction of the development and application of low-Pt and non-Pt nano electrocatalysts for fuel cells. Taking advantage of the electrochemical activities of the clusters, electrochemical sensors will be fabricated for the detection of gluocose and hydrogen peroxide with ultrahigh sensitivity and specifity. The effects of core size and compositon of the alloy nanoclusters on their fluorescence properties will be also studied to realize the application of fluorescence analysis in the research fields of environmental and life sciences. This project highlights the intensive investigation of the dependence of synthesis-structure-property-application of copper and alloy nanoclusters. Comprehensive and systematic understanding on the Cu and alloy nanolusters with core size smaller than 2 nm will be achieved from the results of this project, therefore providing experimental data and theoretical foundation for the property investigation and practical application of metal nanoclusters.

本项目将以化学还原法为主要手段合成一系列尺寸小于2纳米，尺度均一且组份可调的Cu及合金纳米团簇。在结构准确表征的基础上，研究Cu及合金纳米团簇的双层电容量子化充电特征，为不同尺寸和组成的Cu及合金纳米团簇的电子传输特性提供系统的研究结果。用多种电化学技术研究Cu及合金纳米团簇的电催化活性与其尺寸、组份关系以及金属纳米团簇的电催化机理，为燃料电池非Pt及低Pt纳米电催化剂的开发和应用提供新的思路和方向。利用纳米团簇的电化学活性构建电化学传感器，实现对葡萄糖、过氧化氢等的超灵敏、特异性检测。研究不同尺度及不同组份纳米团簇对其荧光性能的影响，实现其在环境、生命等领域荧光分析中的应用。该项目将对Cu及合金纳米团簇的制备-结构-性能-应用之间的相关性进行深入研究。研究结果将会对尺度小于2 nm的Cu及合金纳米团簇形成全面、系统性的认识，从而为纳米团簇的性能研究和实际应用提供可靠的实验数据和理论依据。

金属纳米团簇，尤其是尺寸在2 nm 以下的金属纳米团簇，因其独特的电子和几何结构而具有不同于纳米粒子也不同于分子的物理、化学等性能。金属纳米团簇表现出的量子充电性质、光波长可调性质以及高电催化活性，已经被用于生物、催化、传感等研究领域。因此，金属纳米团簇已经成为当前物理、化学、生物等学科的研究热点之一。但是，目前对过渡金属纳米团簇的研究主要集中于贵金属Au 和Ag，而对于同族的Cu 纳米团簇，因其稳定性低、易氧化等缺点，研究较少。因此，Cu 基纳米团簇的制备和性能研究是金属纳米团簇研究中的一个重要和具有挑战性的方向。.本项目执行期间，我们主要研究了多种纳米团簇及碳基复合物的制备、表征及电化学和荧光等性质的应用。首次成功制备了粒径小于2 nm的铜基纳米团簇如Cu6(GSH)3、 Cu6(SC7H4NO)6以及Cu7(C7H5O2S)3等并用于葡萄糖、过氧化氢及肼等的电化学检测，表明具有良好的检测应用前景；通过对IrV合金纳米团簇的制备方法研究，获得了具有不同合金组分、负载于石墨烯的IrV合金纳米团簇（平均粒径2 nm），并可用于碱性燃料电池的阴极电催化剂；通过化学方法使制备的Au25纳米团簇带有三种不同的电荷（-1/0 和+1），考察了电荷不同对其电催化性能的影响并阐述了其影响机理。以上研究结果对金属纳米团簇，特别是铜纳米团簇在原子尺度上尺寸的控制及其在电分析领域的应用提供了重要的实验依据。另外，在原计划的基础上，我们还对石墨烯量子点及三维碳材料负载的金属和金属氧化物纳米粒子的相关性能及其在电分析和气体传感领域的应用进行了研究。其中，我们构建的新型气体传感材料SnO2-SnO p-n结结构对NO2气体具有接近室温的传感性能。该研究结果对深入认识金属氧化物电子结构对其气体传感性能的影响具有重要意义。.