基于聚合物热化学性质构建壳层具有纳米金属/碳或金属/碳结构的复合纳米粒子及其应用研究

Because of abundant structures and physicochemical properties, nanocomposite based on carbon and metal has been widely used in molecular catalysis, biosensor, and energy transformation and so on. When heated in inert atmosphere, the polymer will exhibit two different properties of complete decomposition or carbon residue. In this proposal, the nanoparticle with interfaces of both carbon and metal will be prepared by coating inorganic nanoparticles with polymer of different thermochemical properties which is modified with metal nanoparticles, and the nanocomposite with the shell of different metal nanoparticles and carbon will also be prepared by combined this method with polymer self-assembly. Moreover, the nanoparticle with a metal/carbon shell will also be prepared by coating inorganic nanoparticles with nitrogen-containing polymer or protein which could complex with metal ions. With the glucose and oxygen as model molecules, the prepared nanoparticles will be used in oxygen reduction reaction and glucose electrochemical oxidation. The effect of shell structures on the properties of composite nanoparticles will be studied, such as from metal/carbon to nano-metal/carbon, from the carbon interfaces to carbon/metal composite interfaces, and closely packed metal nanoparticles and so on. This research will provide a new way in preparing composite nanoparticles and its application.

碳与金属复合的纳米材料由于具备丰富的结构和物理化学性质，在分子催化、生物传感和能量转换等领域有着广泛应用。本项目拟采用聚合物在惰性气氛中热化学性质不同（完全分解或有碳残留）的特点，结合高分子组装的方法，在无机纳米粒子上包覆两种热化学性质不同的聚合物，利用聚合物修饰金属纳米粒子，经过高温热化学反应获得壳层具有金属界面和碳界面共存的纳米粒子，并利用该方法研究在粒子壳层组装多种纳米金属与碳复合的纳米粒子；此外，利用含氮聚合物或蛋白质为前驱体，包覆无机纳米粒子，通过氮元素与金属离子的络合作用来制备壳层为金属/碳结构的纳米粒子；以葡萄糖和氧气为模型分子，研究上述复合纳米粒子在氧气还原和葡萄糖的电化学氧化方面的应用；探讨从金属/碳到纳米金属/碳、从单一碳层界面到碳和金属复合界面以及纳米金属紧密堆积等壳层结构变化对复合纳米粒子性能的影响，为复合纳米粒子的制备与应用提供一种新的方法。

由于其丰富的结构和物理化学性质，碳与金属的复合材料在分子催化、生物传感和能量转换等领域有着广泛应用。本项目利用高分子组装的方法，以二氧化硅纳米粒子为载体，在其表面包覆一层聚合物（这种聚合物经过高温热化学反应之后会有碳残留），然后将合成好的Pt、Au金属纳米粒子，以一定的比例混合，将它们按照一定的比例负载在纳米尺度的载体上面。利用纳米粒子的小尺寸效应，通过烧结较低的温度，可以使两种金属在载体表面相互迁移并熔合为Pt/Au合金，将这种合金与碳复合的催化剂应用于电催化氧还原反应中，发现所制备的催化剂具有优于商业铂碳的活性和稳定性。在此基础上，通过简单的共沉淀法合成了普鲁士蓝纳米粒子与聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮）的杂化前驱体，通过可控热解以及后续的化学处理，合成了从单重界面到多重界面的一系列电催化材料，将它们应用完全电解水的半反应（如氧析出和氢析出反应）以及完全电解水反应，发现多重界面的构建可以有效地提高电催化反应过程中的质量和电荷传递，从而提高电催化性能。总之，本项目提出了两种构建碳与金属复合物材料的新方法，这两种方法简单、有效十分有望应用于工业生产，而且本项目对于碳/界面在电催化反应中的协同效应进行了大量细致的研究，为高效碳/界面的设计与合成提供方法指导和理论支持。