基于刻蚀反应的纳米结构空心化（英文）

中空纳米材料的可控合成使其在催化、能量转换与储存、生物医药等领域具有广阔的应用前景.本专论旨在揭示刻蚀反应对纳米结构空心过程的关键影响.讨论了通过增强纳米粒子表面在刻蚀液中的相对稳定性来精确操纵中空化过程的策略,主要关注3种刻蚀策略,包括硬模板法、氧化还原辅助中空法和表面钝化自模板法.最后,对基于刻蚀反应的纳米结构空心化可控合成未来的发展方向进行了展望.     

晶相调控对金属纳米粒子催化性能的影响

尺寸在1–10 nm的金属纳米催化剂广泛地应用于石油化工,精细化学品合成,能源与环境保护等领域。大量研究表明,金属纳米粒子的催化性能与其微观结构,即尺寸、形貌和晶相等密切相关。近年来,对金属纳米粒子的尺寸和形貌效应已经有了较为系统深入的研究,但对晶相效应的研究则较少涉及。这主要是由于介稳晶相的金属纳米粒子在合成过程中或反应条件下极易转化为热力学稳定的晶相结构。根据金属原子密堆积形式,金属纳米粒子的晶相结构主要有立方面心(fcc)、立方体心(bcc)和六方密堆积(hcp)三种晶相;而金属合金由于d带电子存在着多种杂化方式,因而其晶相结构呈现出多样性且与单一金属有很大的不同。金属和合金纳米粒子晶相结构的调控,不仅会改变金属原子的配位环境,调控了其电子分布状态,还可影响反应物和产物的吸附、活化和脱附,进而调变催化性能。首先,我们简要总结了液相合成和固相转变调控金属纳米粒子晶相的原理和方法。纳米粒子的液相合成一般包括前驱体还原成核和晶核生长两个阶段,通过对液相合成条件的优化,尤其是表面活性剂的选择,可有效调控合成过程中的热力学和动力学因素,从而实现金属晶相的可控合成。固相转变则主要是对具有一定晶相结构的纳米粒子于一定气氛和温度条件下进行加热处理,利用金属粒子与活性气体之间(H2, CO等)的化学作用来实现晶相转变。利用上述方法,可以合成出fcc-Co、fcc-Ru、L10-AuCu等热力学介稳的金属或合金纳米粒子。在此基础之上,我们分别以Co纳米粒子(fcc和hcp晶相)催化FT合成, Fe模型催化剂(fcc和bcc晶相)活化N2和CO, Ru纳米粒子(fcc和hcp晶相)催化CO氧化和氨硼烷水解制氢, Pd纳米粒子(PdHx物种)催化加氢等为例分析了晶相对金属纳米粒子催化性能的影响;在合金催化剂方面,以Pt3Co(无序的fcc和有序的L12), AuPdCo(P3–m、Fm3–m和R3–m混合晶相)和FePt纳米粒子(fcc和fct相)催化O2电化学还原、PtRhSn (碲铂矿晶相和fcc晶相)和ZrPt3纳米粒子(hcp和fcc晶相)催化乙醇电氧化、Ag3In合金(无序的Fm3–m相和有序的Pm3–m晶相)催化对硝基苯酚加氢、PdRu纳米粒子(fcc和hcp混合晶相)催化CO氧化等为例分析了合金催化剂的晶相对催化性能的影响。上述研究进展表明,金属纳米粒子的晶相也是影响制备剂高效金属催化剂的主要因素。最后,我们结合纳米催化的发展现状,提出了金属纳米粒子的晶相调控在纳米催化和纳米材料领域可能的发展态势。第一,通过对金属纳米粒子溶液相合成机理的深入研究,有助于发展出尺寸、形貌和晶相同时可控的新合成方法。第二,金属纳米粒子在晶相转化过程中往往伴随着烧结及组分的偏析等难题。利用氧化物包覆的核壳型或蛋壳型纳米结构以及碳纳米管的空间限域效应,或许有助于解决上述难题。第三,具有亚稳晶相结构的金属纳米粒子在反应条件下极易转变为热力学稳定的结构,因此,利用原位、动态、实时的表征技术对催化剂在真实工作状态下的微观结构进行细致的分析是阐明晶相效应的前提。     

晶相调控对金属纳米粒子催化性能的影响（英文）

尺寸在1–10 nm的金属纳米催化剂广泛地应用于石油化工,精细化学品合成,能源与环境保护等领域.大量研究表明,金属纳米粒子的催化性能与其微观结构,即尺寸、形貌和晶相等密切相关.近年来,对金属纳米粒子的尺寸和形貌效应已经有了较为系统深入的研究,但对晶相效应的研究则较少涉及.这主要是由于介稳晶相的金属纳米粒子在合成过程中或反应条件下极易转化为热力学稳定的晶相结构.根据金属原子密堆积形式,金属纳米粒子的晶相结构主要有立方面心(fcc)、立方体心(bcc)和六方密堆积(hcp)三种晶相;而金属合金由于d带电子存在着多种杂化方式,因而其晶相结构呈现出多样性且与单一金属有很大的不同.金属和合金纳米粒子晶相结构的调控,不仅会改变金属原子的配位环境,调控了其电子分布状态,还可影响反应物和产物的吸附、活化和脱附,进而调变催化性能.首先,我们简要总结了液相合成和固相转变调控金属纳米粒子晶相的原理和方法.纳米粒子的液相合成一般包括前驱体还原成核和晶核生长两个阶段,通过对液相合成条件的优化,尤其是表面活性剂的选择,可有效调控合成过程中的热力学和动力学因素,从而实现金属晶相的可控合成.固相转变则主要是对具有一定晶相结构的纳米粒子于一定气氛和温度条件下进行加热处理,利用金属粒子与活性气体之间(H2,CO等)的化学作用来实现晶相转变.利用上述方法,可以合成出fcc-Co、fcc-Ru、L10-Au Cu等热力学介稳的金属或合金纳米粒子.在此基础之上,我们分别以Co纳米粒子(fcc和hcp晶相)催化FT合成,Fe模型催化剂(fcc和bcc晶相)活化N2和CO,Ru纳米粒子(fcc和hcp晶相)催化CO氧化和氨硼烷水解制氢,Pd纳米粒子(Pd Hx物种)催化加氢等为例分析了晶相对金属纳米粒子催化性能的影响;在合金催化剂方面,以Pt3Co(无序的fcc和有序的L12),Au Pd Co(P3–m、Fm3–m和R3–m混合晶相)和Fe Pt纳米粒子(fcc和fct相)催化O2电化学还原、Pt Rh Sn(碲铂矿晶相和fcc晶相)和Zr Pt3纳米粒子(hcp和fcc晶相)催化乙醇电氧化、Ag3In合金(无序的Fm3–m相和有序的Pm3–m晶相)催化对硝基苯酚加氢、Pd Ru纳米粒子(fcc和hcp混合晶相)催化CO氧化等为例分析了合金催化剂的晶相对催化性能的影响.上述研究进展表明,金属纳米粒子的晶相也是影响制备剂高效金属催化剂的主要因素.最后,我们结合纳米催化的发展现状,提出了金属纳米粒子的晶相调控在纳米催化和纳米材料领域可能的发展态势.第一,通过对金属纳米粒子溶液相合成机理的深入研究,有助于发展出尺寸、形貌和晶相同时可控的新合成方法.第二,金属纳米粒子在晶相转化过程中往往伴随着烧结及组分的偏析等难题.利用氧化物包覆的核壳型或蛋壳型纳米结构以及碳纳米管的空间限域效应,或许有助于解决上述难题.第三,具有亚稳晶相结构的金属纳米粒子在反应条件下极易转变为热力学稳定的结构,因此,利用原位、动态、实时的表征技术对催化剂在真实工作状态下的微观结构进行细致的分析是阐明晶相效应的前提.     

钯纳米晶体在电催化甲酸氧化反应中的形貌效应

本文基于课题组前期工作,选用适当的金属前驱物、还原剂、稳定剂和保护剂,通过调控氧化刻蚀和反应动力学等,成功合成了形貌和尺寸均不相同的Pd纳米晶.经过认真的纳米粒子清洗和电极修饰组装,考察了它们在电催化甲酸氧化反应中的形貌与性能的关系.研究结果表明,Pd纳米晶样品的最大电流密度以纳米八面体（nanooctahedra）、纳米线（nanowires）、纳米立方体（nanocubes）、纳米瓜子（nanotapers）、凹面纳米立方体（concave nanocubes）的顺序递增,催化甲酸氧化反应的起始氧化电位均小于0.2V.研究结果印证了Pd纳米晶催化甲酸氧化反应的催化性能在尺寸效应上主要受活性表面积的影响,扣除表面积效应后的催化性能与其尺寸没有明确关系.该系列Pd纳米晶的催化性能主要取决于其表面结构,得出Pd纳米晶催化甲酸氧化反应遵循{111}晶面〈{100}晶面〈高指数晶面的性能活性顺序.综合最大电流密度和最小操作电位因素发现,Pd凹面纳米立方体和Pd纳米瓜子具有相对较好的商用价值.     

多策略可控合成原子精度合金纳米团簇

合金纳米团簇作为一类新兴的多功能纳米材料已被广泛用于催化、光学传感以及生物医学成像等研究领域,而纳米团簇的可控合成和结构特征是调节纳米团簇性质并对其进一步利用的基础。尽管当前有关金属纳米团簇可控合成和结构特征的研究主要集中在单金属纳米团簇中,但有关合金纳米团簇原子精度的可控合成也取得了显著的进展。本文综述了配体保护的合金金属纳米团簇原子精度可控合成策略,包括一步合成法、金属交换、配体交换、化学刻蚀、簇间反应、原位两相配体交换以及最新的表面模体交换反应,并对相关合成策略的优缺点进行了详细的讨论和阐述。     

多策略可控合成原子精度合金纳米团簇（英文）

合金纳米团簇作为一类新兴的多功能纳米材料已被广泛用于催化、光学传感以及生物医学成像等研究领域,而纳米团簇的可控合成和结构特征是调节纳米团簇性质并对其进一步利用的基础。尽管当前有关金属纳米团簇可控合成和结构特征的研究主要集中在单金属纳米团簇中,但有关合金纳米团簇原子精度的可控合成也取得了显著的进展。本文综述了配体保护的合金金属纳米团簇原子精度可控合成策略,包括一步合成法、金属交换、配体交换、化学刻蚀、簇间反应、原位两相配体交换以及最新的表面模体交换反应,并对相关合成策略的优缺点进行了详细的讨论和阐述。     

科研转化的综合化学实验:银纳米粒子的制备及其催化反应动力学测量

设计了一个包含胶体化学方法制备金属纳米粒子及其作为异相催化剂催化氧化还原反应的动力学过程等内容的本科生综合化学实验。首先采用晶种生长法合成了不同尺寸的球状和片状银纳米粒子,然后经过离心纯化后作为异相催化剂催化硼氢化钠还原4-硝基苯酚的反应,研究了催化反应动力学过程,分析了催化反应的表观反应速率常数和催化剂的活性。本实验可以锻炼学生制备纳米材料和跟踪反应动力学进程的能力,使学生进一步理解异相催化反应机理、熟悉光谱仪器的应用。     

借助液体透射电镜原位分析钯纳米棒的可控性氧化刻蚀

借助原位液体透射电镜,我们观察并研究了钯纳米棒溶液环境下的氧化刻蚀的微观行为及机理。通过改变钯纳米棒所处的液体环境,有效地控制了钯纳米棒的氧化刻蚀行为。由于端部具有较高的反应活性,钯纳米棒在氯化铁溶液中的氧化刻蚀会选择沿着轴向进行,具有明显的各向异性。当反应在超薄液层进行时,钯纳米棒的氧化刻蚀会变为准各向同性。这种行为是由于超薄溶液中溶解产物以及氧化物的扩散被抑制,在纳米棒端部选择性发生的氧化刻蚀会受到阻碍。最后,我们发现在钯纳米棒端部选择性沉积金,可以保护纳米棒的端部不受氧化,从而能控制刻蚀沿着钯纳米棒的径向进行。本文的研究结果对贵金属纳米晶的结构参数的精确调控以利于实际应用具有重要的意义。     

水滑石基催化剂催化合成碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料是一类推动能源存储、 多相催化、 高性能复合和生物医药等领域发展的重要材料, 可控合成碳纳米材料对相关领域的发展具有重要意义. 水滑石(LDHs)材料具有层板金属种类及含量可调等特点, 经焙烧、 还原后可制备出金属种类、 密度和粒径分布各异的高分散、 高稳定金属纳米催化剂, 可实现高效催化生长各种类型的碳纳米材料. 此外, 通过调控反应条件和反应器等, 可以影响LDHs基金属纳米催化剂催化生长的碳纳米材料的结构和性能. 本文总结了LDHs基金属纳米催化剂的可控制备、 碳纳米材料结构调控以及利用LDHs基催化剂制备的碳纳米材料的应用等方面的研究工作, 并阐明了催化剂的可控制备是控制合成碳纳米材料的核心手段, 这为利用LDHs基催化剂进一步合成更高性能碳纳米材料的研究指明了方向. 此外, 本文还结合近些年在光、 电及光热催化方面的研究进展, 展望了基于新型LDHs纳米结构生长碳纳米材料的研究前景.     

无机纳米晶的形貌调控及生长机理研究

形貌及尺寸规整可控的纳米晶体的合成是目前十分引人注目的纳米材料研究领域．制备合成中的形貌调控及其功能化是这些纳米材料能够得到应用的关键问题．研究者们希望在纳米晶的任一阶段均能实现控制并在期望的阶段停止,从而得到尺寸、形态、结构及组成确定的纳米晶体．本文综述了近年来无机纳米晶体的典型合成路径,深入探讨了纳米晶在成核、生长及熟化阶段的控制原理,研究了液相合成纳米材料过程中晶体结构与生长行为的相关性问题,并总结了几类具有代表性的低维、多维纳米晶体的形成规律和生长机理．探索纳米粒子的调控合成对于纳米材料的规模化生产及应用具有重要的理论价值和指导意义．     

Metal nanocrystals with highly branched morphologies

Metal nanocrystals with highly branched morphologies are an exciting new class of nanomaterials owing to their unique structures, physicochemical properties, and great potential as catalysts, sensing materials, and building blocks for nanoscale devices. Various strategies have recently been developed for the solution-phase synthesis of metal nanocrystals with branched morphologies, such as multipods and nanodendrites. In this Minireview, the procedures and mechanisms underlying the formation of branched metal nanocrystals are presented in parallel with recent advances in synthetic approaches based on kinetically controlled overgrowth, aggregation-based growth, heterogeneous seeded growth, selective etching, and template-directed methods, as well as their properties for catalytic or electrocatalytic applications.     

聚合物与纳米晶的杂化及性能优化

聚合物-纳米晶杂化材料因结合了有机和无机材料的优点而逐渐地受到了人们普遍的关注,聚合物为纳米晶的形成与生长提供了优良的环境,纳米晶的引入同样也增加和强化了聚合物的功能特性.如聚硫代氨基甲酸酯与TiO2杂化的高折射率薄膜,该薄膜不仅保持了原有的性能,而且有较高的折射率.此外,还有许多不同纳米粒子与不同聚合物的杂化体系.如...     

Facile Synthesis of Platinum Right Bipyramids by Separating and Controlling the Nucleation Step in a Continuous Flow System

Colloidal synthesis of metal nanocrystals with controlled shapes and internal structures calls for a tight control over both the nucleation and growth processes. Here we report a method for the facile synthesis of Pt right bipyramids (RBPs) by separating nucleation from growth and controlling the nucleation step in a continuous flow reactor. Specifically, homogeneous nucleation was thermally triggered by introducing the reaction solution into a tubular flow reactor held at an elevated temperature to generate singly-twinned seeds. At a lower temperature, the singly-twinned seeds were protected from oxidative etching to allow their slow growth and evolution into RBPs while additional nucleation of undesired seeds could be largely suppressed to ensure RBPs as the main product. Further investigation indicated that the internal structure and growth pattern of the seeds were determined by the temperatures used for the nucleation and growth steps, respectively. The Br⁻ ions involved in the synthesis also played a critical role in the generation of RBPs by serving as a capping agent for the Pt{100} facets while regulating the reduction kinetics through coordination with the Pt(IV) ions.     

热解单源前驱体方法可控制备纳米金属硫化物

本文简要综述了本研究组近年来在利用热解单源前驱体合成方法制备纳米金属硫化物方面的相关工作．通过采用不同的反应前驱体,改变反应时间、反应温度,选择不同的表面配体分子及反应溶剂等手段实现了对纳米金属硫化物形貌、尺寸、组成和晶相的精确调控．除了对合成方法和过程进行介绍外,本文还简要讨论了具有特定形貌的金属硫化物的形成机理,并对几类典型硫化物的应用研究进行了总结．     

Novel route to size-controlled Fe-MIL-88B-NH2 metal-organic framework nanocrystals

A new approach for the synthesis of uniform metal-organic framework (MOF) nanocrystals with controlled sizes and aspect ratios has been developed using simultaneously the non-ionic triblock co-polymer F127 and acetic acid as stabilizing and deprotonating agents, respectively. The alkylene oxide segments of the triblock co-polymer can coordinate with metal ions and stabilize MOF nuclei in the early stage of the formation of MOF nanocrystals. Acetic acid can control the deprotonation of carboxylic linkers during the synthesis and, thus, enables the control of the rate of nucleation, leading to the tailoring of the size and aspect ratio (length/width) of nanocrystals. Fe-MIL-88B-NH(2), as an iron-based MOF crystal, was selected as a typical example to illustrate our approach. The results reveal that this approach is used for not only the synthesis of uniform nanocrystals but also the control of the size and aspect ratio of the materials. The size and aspect ratio of nanocrystals increase with an increase in the concentration of acetic acid in the synthetic mixture. The non-ionic triblock co-polymer F127 and acetic acid can be easily removed from the Fe-MIL-88B-NH(2) nanocrystal products by washing with ethanol, and thus, their amine groups are available for practical applications. The approach is expected to synthesize various nanosized carboxylate-based MOF members, such as MIL-53, MIL-89, MIL-100, and MIL-101.     

高指数晶面纳米催化剂的电化学制备及应用

催化剂的性能与其表面结构及组成密切相关,高指数晶面纳米晶的表面含有高密度的台阶原子等活性位点而表现出较高的催化活性. 本文综述了电化学方波电位方法用于Pt、Pd、Rh等贵金属高指数晶面结构纳米晶催化剂的制备、形成机理及其电催化性能的研究. 针对贵金属利用率问题,还着重介绍了具有较高质量活性的小粒径Pt二十四面体的制备. 在此基础上,还介绍了电化学方波电位方法用于低共熔溶剂中制备高指数晶面纳米晶,以及高指数晶面纳米催化剂的表面修饰及应用;最后对高指数晶面纳米催化剂的发展做出了展望.     

Homogeneous and disordered assembly of densely packed titanium oxide nanocrystals: an approach to coupled synthesis and assembly in aqueous solution

A homogeneous and disordered assembly of densely packed nanocrystals 2-3 nm in size was synthesized at room temperature in an aqueous solution without the assistance of any organic molecules. The assembled nanocrystals of titanium oxides, such as anatase titanium dioxide, sodium titanate, and a solid solution with rutile tin dioxide, formed macroscopic transparent objects 2-5 mm in size. In general, it is not easy to obtain homogeneous and disordered assembly of nanocrystals without assistance of any organic molecules for the inhibition of inhomogeneous and disordered aggregation. In the present work, the formation of the hydrated layer on the surface of nanocrystals facilitated the homogeneous and disordered assembly. The crystal phases and the compositions of the nanocrystals were controlled by the tuning of the synthetic conditions, such as the initial pH and metal source concentration. Based on the formation processes and mechanisms, this approach for the coupled synthesis and assembly can be applied to a variety of nanomaterials for preparation of homogeneous but disordered assembly.     

A Mechanistic Study of the Multiple Roles of Oleic Acid in the Oil-Phase Synthesis of Pt Nanocrystals

Oleic acid (OAc) is commonly used as a surfactant and/or solvent for the oil-phase synthesis of metal nanocrystals but its explicit roles are yet to be resolved. Here, we report a systematic study of this problem by focusing on a synthesis that simply involves heating of Pt(acac)₂ in OAc for the generation of Pt nanocrystals. When heated at 80 °C, the ligand exchange between Pt(acac)₂ and OAc leads to the formation of a Pt^II–oleate complex that serves as the actual precursor to Pt atoms. Upon increasing the temperature to 120 °C, the decarbonylation of OAc produces CO, which can act as a reducing agent for the generation of Pt atoms and thus formation of nuclei. Afterwards, several catalytic reactions can take place on the surface of the Pt nuclei to produce more CO, which also serves as a capping agent for the formation of Pt nanocrystals enclosed by {100} facets. The emergence of Pt nanocrystals further promotes the autocatalytic surface reduction of Pt^II precursor to enable the continuation of growth. This work not only elucidates the critical roles of OAc at different stages in a synthesis of Pt nanocrystals, but also represents a pivotal step forward toward the rational synthesis of metal nanocrystals.