化学组装技术与电化学辅助的表面有序纳米结构的可控制备

表面有序纳米结构的可控构筑是纳米器件研究的基础。本项目拟在溶液中制备表面有序纳米结构的过程中，引入化学组装和电位、磁场调控的思想，使纳米材料的表面生长过程获得了重要的"外部调控因素"。从而有可能在保留溶液合成法易于控制粒子形状、尺寸、结构等原有优点的基础上克服其缺点，使纳米材料的生长区域、密度、取向获得可控性，发展出可以对纳米材料的表面生长进行调控的新方法；阐明在电场作用下吸附剂、表面活性剂、胶束等"溶液调控因素"对纳米材料的形貌、尺寸、结构的影响规律；揭示电场、磁场等"外加调控因素"在表面纳米结构取向生长过程中的作用机理。为纳米结构的表面可控构筑提供新的思路。

在固体材料表面可控地构筑纳米结构，并利用纳米结构独特的物理、化学性质实现特定的功能，是当前物理学、化学和材料科学重要的前沿领域之一。目前实现表面有序纳米结构的可控制备面临的主要问题是：如何控制表面异相生长过程中纳米材料的生长区域、密度、尺寸、形貌和取向。本项目在纳米材料表面生长过程中引入“电位调节因素”，调节前驱体的成核速率、沉积速率和包裹剂在纳米材料表面不同晶面的吸脱附速率，从而控制生长和成核过程。经研究本项目取得了以下研究成果：①采用溶剂热还原法成功制备出尺寸形貌高度单分散的Ir纳米盘和球形Rh纳米团簇；采用组装技术成功将Ir纳米盘组装在固体基底表面，获得了高密度的Ir纳米盘组装体系；揭示了Rh纳米粒子团簇形成的动力学规律；阐明了Rh纳米粒子制备过程中，溶剂的极性对Rh纳米粒子团聚过程的影响规律极其机理。②以电化学还原法为基础，发展出制备密度、尺寸、形貌、取向可控的贵金属纳米粒子阵列的电化学方法；实现了准球状Au、Pt 纳米粒子在固体表面的尺寸、密度可控制备；成功制备出片状和立方Pt纳米粒子、垂直基底取向的Rh纳米片、Pd纳米锥阵列；阐明了电化学制备Rh、Pd、Pt纳米结构的影响因素及其形成机理，揭示了基底电位在电极/溶液界面贵金属纳米晶生长过程中如何影响吸附剂、表面活性剂在纳米晶表面的吸脱附行为及其对纳米晶形貌、取向的影响；发现垂直于基底取向的贵金属纳米粒子均具有较高的电化学催化活性。③发展出生长区域和密度双重可控的纳米结构阵列的制备方法，阐明如何通过分区电沉积在相同基底上不的同区域内生长不同种类纳米粒子，实现纳米结构的分区生长；从理论上和实验上证明利用不同纳米粒子电化学性质的差异实现不同种类的电活性物质的一次性定量检测的可能性。如可以分区沉积Pt和Au纳米粒子，利用Pt和Au纳米粒子分别对葡萄糖和亚硝酸根的电化学反应，实现了葡萄糖和亚硝酸根的同时定量检测。研究成果的意义：在固体材料表面制备生长密度、尺寸、形貌、取向可控的纳米粒子是纳米结构可控构筑的重要课题。我们的研究结果表明，在吸附剂或表面活性剂存在的条件下，调控电位可以实现对纳米晶特定晶面的保护，使其生长速度降低或停止，从而达到各向异性生长的目的。即通过施加适当的电位并选择合适的吸附剂和表面活性剂，电化学辅助还原的方法，制备形貌、尺寸、结构、取向可控的金属纳米晶阵列，为纳米结构可控制备提供了新的思路。