同步辐射技术研究Au-Cu双金属空心纳米颗粒的结构和性能

Thanks to high specific surface area and tunable morphology, bimetallic nano-materials with hollow structures have special physical and chemical properties and are attracting an increasing attention in catalysts, energy storage devices, etc. Great efforts have been made in synthesizing bimetallic hollow nano-materials with particular structures and properties. But most of all, we should understand the relationship between structure and property of bimetallic nano-materials. In this proposal, a galvanic replacement reaction will be applied to realize the controllable growth of Au-Cu nanoparticles with defined size, structure, composition and highly catalytic activity by adjusting various reaction parameters. In combination with synchrotron radiation-based XAFS techniques and other conventional tools, we will investigate the relationship between structure and property of Au-Cu hollow nanoparticles by probing the local atomic and electronic structure. This project will not only define the factors affecting the catalytic properties, but also provide experimental and theoretical guide for the controllable synthesis of bimetallic hollow nanoparticles.

新型双金属空心纳米材料具有成分可控、空隙率高、比表面积大等特点，具有新奇的物理和化学性质，在催化化学领域表现出很强的应用前景。但对于双金属空心纳米材料的结构与催化性能之间的构效关系仍缺乏深入的认识。本项目拟选取Au-Cu空心纳米颗粒作为具体研究对象，通过调控化学液相合成的条件，实现对材料的形貌、尺寸和组分的精确调控，并对这些空心纳米颗粒进行CO催化活性的表征。充分利用具有元素分辨和对局域结构敏感的同步辐射XAFS技术，同时结合高分辨电镜等常规表征手段和第一性原理理论计算，研究具有不同形貌和CO催化活性的Au-Cu空心纳米颗粒的局域原子和电子结构的差异，探讨Au-Cu空心纳米颗粒的结构与其CO催化性能之间的构效关系，从原子分子水平深入揭示影响催化活性的关键因素，为设计具有优异催化性能的双金属纳米空心结构提供理论和实验指导。

双金属纳米材料，具有区别于单一金属自身的催化、电学、磁学及光学等独特性能，针对双金属催化剂的结构调控是当前催化领域的重要方向。本项目针对双金属纳米材料的结构调控和构效关系，充分利用同步辐射这一先进的表征手段，对材料的微观结构和催化机理进行了深入研究，具体取得如下成果：1、实现了Au-Cu双金属笼状纳米材料合成和结构调控，同时探讨了笼状结构与苯甲醇氧化性能的催化关系：由于Au-Cu纳米材料特有的空心笼状结构，发现空心结构相较于实心结构具有内外表面，有利于分子传输和吸附；同时，双金属元素的电子协同效应能够有效提高材料的抗中毒能力及催化稳定性。(Chem. Commun., 2016, 52(39): 6617-6620.)；2、进一步扩展高效双金属纳米催化剂，合成了一系列高性能催化剂（Rh-Co、Pt-Ni等），利用同步辐射吸收谱技术对材料的局域原子和电子结构进行了深入分析。同时，基于同步辐射和原位谱学技术，揭示了表界面配位结构对催化反应的调控机制，这一系列成果发表在《Nature Commun.》、《Angrew. Chem. Int. Ed》等国际顶尖学术杂志，为实现可控合成具有优异性能的新型纳米催化材料提出了新的理解和思路。