具有高表面能的Pd和Ag基贵金属纳米晶的可控合成及性能研究

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贵金属纳米材料因为其独特的物理化学性质以及在催化、燃料电池、光学等方面优异的性能,受到科研工作者广泛的关注。这些性能通常与贵金属纳米晶的表/界面结构密切相关。因此,如何控制贵金属纳米材料的表/界面结构(特别是具有高表面能的表面结构)是调控其性能的关键。此外,通过不同金属间形成的二元或多元的纳米结构,在此基础上调节其表/界面结构、组成等将会进一步提高其性能与实用性。本论文以Pd、Ag这两种贵金属为主要研究对象,从对纳米晶表/界面结构、组成等方面对其进行调控,以改善它们的在催化、光学方面的性能。具体内容和主要研究成果如下:  第一章:简要综述了贵金属纳米晶在不同领域的重要应用,从其基本结构特点出发阐述了影响其性能的主要因素,并简要概括了目前研究进展,阐明选题依据和研究内容。  第二章:发展了高指数晶面裸露的内凹Pd立方纳米晶的“湿”化学合成方法。通过两种不同表面活性剂(CTAC和CTAB)的协同作用,通过调节两种表面活性剂比例,可以控制所合成内凹Pd立方纳米晶的内凹程度,进而调节不同的{hk0}高指数面。当CTAC∶CTAB=4∶1时所合成的内凹Pd立方纳米晶,在碱性环境中,在单位表面面积上所表现出的电催化氧化乙醇活性是商业Pd黑的4-6.5倍。同时,还表现出很好的稳定性。  第三章:描述了如何控制Ag纳米片纵向生长过程。通过引入HAuCl4,不仅可以标记Ag纳米片的生长,还可以提供可以选择性钝化Ag纳米片的侧面的Cl-。根据加入HAuCl4量的不同,Ag纳米片可以纵向生长为削角直角双锥体或削角孪晶立方体。  第四章:阐述了通过湿化学法合成具有不同高指数面裸露的Au-Pd合金纳米晶。通过对生长溶液中表面活性剂浓度由低到高的调节,可以实现合成的Au-Pd纳米晶的形貌由高表面能{110}晶面裸露的菱形十二面体(RD)到高表面能{221}晶面裸露的三八面体(TOH),再到高表面能{421}晶面裸露的六八面体(HOH)的演变。这三种不同形貌的纳米晶有相似的粒径大小及组成,可以用来研究不同表面结构与催化反应性质之间的联系。在碱性环境中电催化氧化乙醇试验中,催化活性与纳米晶表面能高低顺序一致,顺序为HOH>RD>TOH;但是在催化还原4-硝基苯酚时催化活性顺序为RD>TOH>HOH,说明在此催化反应中,催化能力与催化剂表面的微结构密切相关。  第五章:发展了一种非常有效地通过极限扩散控制合成组分可调、空间分布均匀的合金纳米晶的策略。在该策略的指导下,成功合成了高指数晶面{hhl}裸露、组分可调且空间分布均匀的三八面体Au-Pd合金纳米晶。最为重要的是,虽然两种前驱体标准还原电势不同,但所合成的合金纳米晶的组分比例与反应溶液中所加入的前驱体的量比例一致,并且在一定范围内可以简单改变前驱体浓度来控制合成的合金纳米晶的组分。此外,研究了Au-Pd合金纳米晶组成与性质之间的联系,在碱性环境中电催化氧化乙醇实验中,当Pd在合金中比例为14.1%时,催化活性达到最高。  第六章:阐述了合成具有内凹结构的Ag@Au、Ag-Au双金属立方八面体纳米晶。当PVP为表面活性剂时,由于PVP在水中对Ag纳米晶表面没有选择性吸附作用,Au原子首先会沉积在Ag立方八面体的整个表面,随后,由于PVP选择性钝化Au的{111}面,新还原的Au原子会选择性沉积在{100}面,最后形成{111}面内凹的Ag@Au纳米晶。当CTAC为表面活性剂时,借助于Cl-对Ag{100}晶面的选择性吸附,Au原子会选择性沉积在{111}面,最后形成{100}面内凹的Ag-Au纳米晶。这两种双金属内凹立方八面体纳米晶展现出极为出色的SERS活性。结合{111}面内凹的Ag@Au纳米晶在H2O2中有很好的化学稳定性和SERS活性,可以作为一种极为出色的可以用来监测催化还原4-硝基苯硫酚和氧化4-氨基苯硫酚反应的SERS探针。
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