低温熔盐介质中贵金属纳米材料生长机制及形貌调控研究

In current project, a novel strategy in synthesis of noble metal nanomaterials in low-temperature molten salts is proposed. Herein, the stabilization and morphology control of noble metal nanoparticles (NPs) are suggested to be realized through modulating the interactions between "ionic shell" around nanoparticles and particle surfaces. Therefore, several critical shortcomings brought from the application of organic solvents and capping agents in traditional "water" or "oil" phase based synthesis approaches can be well avoided, such as the hazardous to health and surroundings from the organic vapors and their non-recyclable nature and the contamination of particle surface from the surfactants and capping agents. At the same time, the nucleation and growth mechanism of nanocrystals in this novel synthetic system will be revealed. And the effect of inorganic additives and the interaction between "ionic shell" and NPs surface on the growth process of NPs will be illustrated. Furthermore, we will try to establish a new, low-cost and environment-friendly synthetic system in synthesis of noble metal catalytic nanomaterials with high properties. The findings will further promote the understanding of nucleation and growth mechanism of metal nanomaterials in ionic solvent, which have important academic value. The advantages of recyclability, non-toxity, green and low cost properties of low-temperature molten salts will help to develop high-activity noble metal catalyst with independent intellectual property rights. Thus the current subject has important application prospects.

本项目提出在低温熔盐介质中合成贵金属纳米材料的新思路，通过调控低温熔盐中无机离子同纳米晶粒表面的相互作用以及粒子生长过程的动力学和热力学，实现对贵金属纳米粒子的结构形貌调控，避免传统"水"或"油"相合成体系中有机溶剂不可循环、有机蒸汽对环境和健康的危害以及有机保护剂对催化剂的表面污染等问题。本项目将揭示贵金属纳米材料在低温熔盐这一新体系中形核、生长的基本规律，阐明"离子壳层"同晶粒表面的相互作用及异质离子对纳米粒子生长的影响机制，实现在该体系中对贵金属纳米粒子的多种结构和多元组分的可控合成，建立一种低成本、环境友好的高性能贵金属纳米催化材料的可控合成新体系。研究结果将进一步丰富人们对金属纳米材料形核与生长的认识，具有重要的学术价值。同时，低温熔盐的可循环性、无毒、绿色环保和低成本等优势为开发具有自主知识产权的高活性贵金属基纳米催化材料奠定基础,具有重要的应用前景。

本项目实现了在低温熔盐为主的无机离子液体中对Pt基贵金属纳米粒子的可控合成，通过调控无机离子同纳米晶粒表面的相互作用以及粒子生长过程的动力学和热力学，实现对贵金属纳米粒子的结构形貌调控，避免传统“水”或“油”相合成体系中有机溶剂不可循环、有机蒸汽对环境和健康的危害以及有机保护剂对催化剂的表面污染等问题。本项目揭示了贵金属纳米材料在低温熔盐这一新体系中形核、生长的基本规律，比如实现了多晶碗状结构的Pt、PtCu合金纳米粒子的可控合成，二维多晶Pt纳米片的合成，并阐明了这些新颖结构的生长机制是由于新生的纳米晶粒在气液界面相互熔合，形成“金属气泡”，伴随着气泡破裂，最终形成二维多晶纳米片或纳米碗状结构。此外，实现了在熔盐介质中合成单晶Pt以及PtPd合金纳米片状结构，阐明了气体小分子如CO和H2对粒子生长行为的影响，主要表现为CO对晶粒表面的强吸附导致粒子之间的接触熔合受到抑制，易形成三维或无规团聚体，而H2分子则会诱导纳米晶粒沿着石墨烯表面二维聚集、生长，最终形成单晶结构的纳米粒子；通过在熔盐体系中引入I-离子，以及氧化石墨烯作为载体，可以调节PtCu，PtPd以及PtPdCu合金纳米粒子的各向异性生长，最终形成立方、半立方状合金纳米粒子，阐明了异质离子添加对贵金属纳米粒子在熔盐介质中生长的影响机制，实现在该体系中对贵金属纳米粒子的多种结构和多元组分的可控合成；验证了熔盐介质的可循环性，建立了一种低成本、环境友好的高性能贵金属纳米催化材料的可控合成新体系。研究结果进一步丰富了人们对金属纳米材料形核与生长的认识，具有重要的学术价值。同时，低温熔盐的可循环性、无毒、绿色环保和低成本等优势为开发具有自主知识产权的高活性低成本贵金属基纳米催化材料奠定基础,具有重要的应用前景。