金属与金属间化合物纳米晶可控合成与催化反应

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1、项目名称：金属与金属间化合物纳米晶的可控合成与催化反应首席科学家：李亚栋清华大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部中国科学院二、预期目标总体目标：项目的研究目标是：发展过渡金属、贵金属及合金、金属间化合物单分散纳米晶的调控合成方法与技术，研究以贱金属取代或部分取代纳米贵金属催化剂的可能性，探索新的催化反应；发展新型的纳米催化剂负载技术、新型微孔和介孔载体材料与复合材料，提高纳米催化剂的分散性、活性和稳定性；探讨纳米晶微结构与催化性能之间的相关性，研究催化反应机理，认识纳米层次上的表面效应、量子尺寸效应、界面效应对催化的作用。五年预期目标：预计经过五年的

2、研究，发展出具有自主知识产权的过渡金属、贵金属及合金、金属间化合物单分散纳米晶的调控合成新方法与新技术，发展新的催化反应并力争在应用领域取得一定的突破。部分成果计划在五年内发表100篇有国际影响的学术论文，申请发明专利10－20项。努力争取成果转化。在人才队伍培养方面，通过本项目的执行，凝聚从事纳米科学技术研究的优秀中青年人才，培养和造就一批高层次的研究人才和拔尖人才，形成在相关领域中有国际影响的创新研究群体。三、研究方案本项目的学术思路：二元或多元金属(贵金属-过渡金属、过渡金属-过渡金属等)将形成一系列数目庞大的合金与金属间化合物，它们在具有自身结构的同时，还具有典

3、型的金属性与各自金属的特点，理论上具有非常优异、可控的催化性能，是最有希望替代(或部分替代)目前工业催化领域用量巨大的贵金属催化剂的选择。本项目在其可控合成方法与技术严重不足、材料发展与大规模应用受限的背景下，计划发展金属、合金与金属间化合物单分散纳米晶的可控合成新途径，研究纳米晶的组成、尺寸、形状、暴露晶面等参数的调控以及纳米晶微结构与催化性能之间的相关性，开发新的纳米催化剂，探索新的催化反应，从纳米层次上认识催化过程，促进催化理论的发展和金属、合金与金属间化合物纳米晶催化走向应用。本项目瞄准纳米科学发展所面临的重要科学问题，以国家的重大需求为牵引，集中研究有金属、合

4、金及金属间化合物等具有重要应用前景的单分散纳米晶尺寸、形貌控制合成及其催化反应。本项目坚持实验和理论结合、基础研究和应用研究并重，针对贵金属、合金及金属间化合物单分散纳米体系的成核、生长、组装、宏量制备及其应用等基本科学问题，发展与该类单分散纳米体系相应的实验方法和理论，发现具有优异催化性能的单分散纳米晶制备及应用的新现象和新规律；重点阐明单分散纳米晶催化剂的尺寸、形貌等结构参数与试验条件之间的联系，实现单分散纳米晶及其复合纳米催化剂的可控制备技术；深入理解单分散纳米晶催化剂宏量制备过程中成核生长规律、成相规律及动力学的微观机制，发展单分散纳米晶催化剂合成方法学及宏量制

5、备技术；在应用研究方面，探讨单分散纳米晶材料用于工业催化的可能性。以负载型纳米催化剂的实际应用为导向，针对有应用前景的有机新反应，开展异相催化体系研究，探索单分散纳米晶催化剂用于有机新反应的可能性。在整个项目中，将以贵金属、合金及金属间化合物单分散纳米晶的控制合成、集成与组装、宏量制备、结构与性能研究为基础，以单分散纳米晶材料的催化反应为主导研究方向，探索有应用前景的单分散纳米晶催化剂，发展基于单分散纳米晶的纳米催化化学。本项目的技术途径：本项目拟从贵金属、合金及金属间化合物单分散纳米晶的可控生长条件及纳米晶成核、生长热力学、动力学出发，揭示形貌、尺寸分布控制的实验规律

6、及纳米尺度下原子、分子的输运规律，实现单分散纳米晶催化剂生长中尺寸、形状及结构的控制。围绕具有明确催化应用背景的单分散纳米晶的合成及重要催化反应，重点研究单分散纳米晶催化剂制备过程中的传质、传递过程微观机制及催化反应过程中结构与催化性能间的构效关系，针对性的完成具有优异催化性能的贵金属、合金及金属间化合物功能纳米晶及其负载催化剂的制备与构筑。1．贵金属纳米晶的形貌控制及其机制贵金属纳米晶的形成一般都要经历成核与生长两个过程，欲对纳米晶的形貌及尺寸进行有效的控制，就必须从反应动力学和热力学的角度研究晶核形态、生长速度等因素对最终纳米晶的形貌及尺寸的影响。纳米晶的生长速度可

7、通过金属还原剂的强弱和反应温度调节，但晶核往往是由几个原子组成的团簇，难用电子显微镜等技术表征。为实现特定形貌贵金属纳米晶的可控合成，并探明形貌控制的要素，我们将从如下几个方面入手：(1)从热力学出发，通过无机和有机小分子（如乙烯、乙炔、CO、NOx、甲醛等）、离子(如卤素、S2-、CN-、SCN-等)的选择吸附调节表面能，使高能裸露晶面能得以稳定，利于金属纳米晶形貌的多样化，甚至产生一些高催化活性的裸露面；(2)在总结小分子、离子对纳米晶形貌影响规律的同时，利用电化学、红外光谱、程序升温脱附、XPS等手段表征小分子、离子在纳米晶表面的吸