近几十年以来,随着科学技术的发展,纳米材料在催化、电子、新能源等重要领域具有广阔的应用前景。人们对材料的研究视野也由微观结构向分子,甚至原子水平,从静稳态表征向实时动态跟踪转变。如何从原子水平层面深入理解纳米材料的生长机理,以及纳米材料在实际应用过程中发生的具体化学变化,目前是人们研究的热点问题。同步辐射光源具有波长连续可调、亮度高、能量波段宽和时间结构等特异性。基于同步辐射的X射线吸收谱学技术(X-ray Absorption Spectroscopy,XAS)作为一项多学科交叉的重要研究手段,可以对纳米材料的生长过程、不同结构的纳米材料以及纳米材料在实际应用过程中的变化进行表征,获得纳米材料的电子结构、近邻局域结构等信息,有助于从原子尺度上理解纳米材料结构和性能之间的构效关系,进一步设计出新颖的高性能纳米材料。贵金属纳米材料(Pt、Au和Pd等)具有非常好的物理化学特性,其中铂作为目前最有效的催化材料之一,在石油化工、有机合成和清洁能源转换等领域中有着不可估量的潜在价值。而铂基纳米材料尤为突出,已成为纳米材料合成和应用科学领域的研究热点。而铂本身在自然界资源中的含量匮乏、价格昂贵、需求量大等因素,已成为阻碍其进一步商业化应用的瓶颈。铂基纳米材料的性能与其组分、尺寸和形貌密切相关,如何通过制备组分、尺寸和形貌等可控的铂基纳米材料,进一步提高铂的使用效率、减低铂的用量甚至寻找非铂催化剂,是目前研究铂基纳米材料的关键科学问题。而铂纳米晶体的成核和生长机理是铂纳米颗粒尺寸和形貌调控的关键因素,由于晶体成核和生长过程的复杂性,人们对其成核生长机理一直以来缺乏深入系统地研究。本论文的主要工作是基于X射线吸收谱技术,围绕着铂纳米材料的成核生长机理,催化性能和制备方法等方面进行研究。不仅深入探讨了水相合成条件下的铂纳米颗粒的成核生长机理,而且系统地分析了铂纳米催化剂的催化性能和局域化学环境之间的关系。同时采用微波辅助法制备了高质量、均匀分散的铂碳催化剂。此外,利用软x射线吸收谱和x射线激发发光谱技术,研究了有机发光材料的发光中心及闪烁晶体的发光机制。具体内容如下:1.基于原位x射线吸收谱技术,对水相合成条件下铂纳米晶体的成核和成长机理进行研究。主要以氯铂酸(h2ptcl6)为铂前驱体和抗坏血酸(ascorbicacid,aa)为还原剂及聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,pvp)为保护剂来制备铂纳米晶体。采用一次性/连续性两种注入方式注入还原剂(aa)来调控氯铂酸还原的过程,通过原位x射线吸收谱技术对氯铂酸还原和铂纳米颗粒形成的整个过程实时跟踪。实验结果发现氯铂酸具有两种不同还原途径:一次性注入还原剂(aa)条件下,氯铂酸前驱体迅速断裂pt-cl键被还原成零价态的铂原子,进而聚集生长;而连续性注入还原剂条件下氯铂酸前驱体断裂部分pt-cl键被还原成低价态的铂原子,形成ptnclx中间体,然后团聚、还原生长成为铂纳米晶体。从实验角度,证明了文献报道的两种成核生长途径同时存在,通过调节合成条件来调控其还原路径,对纳米晶体的生长机理研究及纳米晶体材料的可控合成具有重要的指导意义。2.研究不同结构铂基纳米催化剂和其性能之间的构效关系。通过合成三种不同结构的铂纳米催化剂(铂纳米线、铂纳米棒和铂纳米颗粒)以及三者在偶氮苯合成反应中的催化性能,发现铂纳米线的催化活性和选择性明显优于铂纳米颗粒和纳米棒。xas实验结果证明,铂纳米线的电子结构和近邻局域结构明显不同于其他两种铂纳米催化剂,其低氧化态、近邻原子配位数严重缺失和pt-pt键长的收缩,造成铂纳米线表面存在大量的结构缺陷,从而为偶氮苯合成反应提供了大量有效的反应位点。另外,利用准原位x射线吸收谱实验技术进一步对铂纳米线催化合成偶氮苯的催化反应过程跟踪。结果发现-oh离子的存在为偶氮反应的关键物,铂纳米线能够在碱性条件下形成较弱pt-oh键而且能够为氢气的分解提供有效的位点,有利于促进偶氮苯的生成,同时为偶氮苯合成反应机理的研究提供了实验依据。3.由于具有“协同效应”,铁铂合金催化剂的催化性能通常优于相应的单组分催化剂。通过原位x射线吸收谱技术研究了铁铂合金催化剂的两种成分在不同气氛和温度下的电子结构变化。实验结果表明,铁、铂组分在氧气、氢气和氦气三种气氛及不同温度条件下的电子结构具有显著差异。铁组分对各种气氛的反应灵敏度明显高于铂组分,且二者在不同气氛条件下,随温度变化的趋势也具有较大差异,铂组分相对稳定。分析铁铂合金组分的电子结构随气氛和温度的演变趋势,有助于深入理解铁铂合金催化剂在实际反应条件中“协同效应”行为。4.微波辅助多元醇法具有高效节能的特性,有助于高效率、大批量合成高性能的铂纳米催化剂。采用微波辅助乙二醇方法合成不同载体(Vulcan XC-72型炭黑、多壁碳纳米管)负载的铂及铂合金纳米催化剂,同时通过对合成的碳铂纳米催化剂进行退化处理。通过透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)、X射线粉末衍射(X-ray Powder Diffraction,XRD)的结构表征及其催化性能测试。实验结果表明,微波辅助法制备的铂催化剂能够均匀地分散在碳载体上,通过退火处理提高其结晶性,合成的铂基纳米催化剂在氨硼烷催化分解、有机物氧化等反应中表现出优异的催化活性。此方法有助于大规模地制备铂基纳米催化剂,并可将微波辅助法拓展到其他金属纳米催化剂的合成。5.另外,本论文第七章利用XAS技术和X射线激发发光谱(X-ray Excited Optical Luminescence,XEOL)手段对发光材料的发光机理进行了深入探讨。设计的蓝光材料(di[4-(4-diphenylaminophenyl)phenyl]sulfone,DAPSF)在有机二极管照明上具有潜在的应用前景。通过XAS技术和XEOL手段对发光材料中组成元素的电子结构和发光通道之间的关系进行了分析,结果表明磺酸基团(SO3-)为其主要的发光通道,深入地理解了发光材料的发光行为,及发光通道和其结构之间的关系。同时,本论文还利用时间分辨X射线激发发光谱技术(Time-resolved XEOL,TR-XEOL),对闪烁晶体的发光机理进行了分析研究。