三维纳米多孔金属的晶面调控及表面催化特性研究

This project proposes to fabricate nanoporous metal electrodes with well defined surface structures. Based on a combination of dealloying, chemical modification, and electrochemical treatments, we aim at the realization of monolithic nanostructures with distinct crystal facets exposed in all three dimensions. In this way, the prepared nanoporous metal electrodes will possess large specific surface area, high catalytic properties, high conductivity and high stability. During this project, efforts will be focused on the regulation of the surface structure, establishing a precise assessment method for the quality of 3D nanoporous materials and a method to remove the surface-directing agents while maintaining the surface crystal facets. This project will greatly improve the understanding of the dealloying process and propel the fabrication for nanoporous metal electrode materials possessing well defined crystal facets.

本项目拟采用脱合金法制备纳米多孔金属材料，在此基础上结合溶液化学、电化学等方法对其实施表面结构调控。通过诱导表面原子的扩散与重构，实现具有特征晶面暴露的纳米多孔金属材料的控制合成，使其兼具高比表面、高催化活性、高导电性和高稳定性。研究在调控过程中，纳米多孔金属表面结构的演变规律；建立有效的评价体系对具有特征暴露晶面的宏观尺度纳米多孔金属进行评价；探索既能保持所需的暴露晶面又能去除晶面导向剂的有效方法；进而研究特征晶面暴露的纳米多孔金属及相关复合纳米结构的新颖催化和电催化特性。此项研究的开展对于丰富和完善脱合金法制备多孔金属理论，开发高性能纳米催化及电催化材料，具有重要的科学价值和现实意义。

本项目以脱合金法制备的纳米多孔金属为主要原料，通过化学和电化学方法，对纳米多孔结构的形成和演化过程进行诱导干预，获得具有特征晶面暴露的高比表面积纳米多孔金属材料，结合原子分辨结构表征技术和理论计算，深入探讨纳米多孔金属表面结构与性能之间的构效关系。并进而探索它们在电催化、纳米催化、二次电池和燃料电池等领域的应用。此项研究的开展对于丰富和完善脱合金法制备多孔金属理论，开发高性能纳米催化及电催化材料，具有重要的科学价值和现实意义。项目执行期内在NATURE ENERGY、NATURE COMMUNICATION、ADVANCED MATERIALS等期刊发表论文12篇，申请专利6项，获批4项。培养研究生5人。丁轶教授获国家杰出青年基金资助，入选国家百千万人才计划和国家万人计划科技创新领军人才。项目执行期内顺利完成研究内容。并取得了以下研究成果：.1)、在无表面活性剂保护下采用电化学循环伏安法调控三维纳米多孔金的表面结构，制备出了具有高电化学活性的纳米多孔金催化剂材料，为合理设计其他具有可控表面结构的纳米多孔金属催化剂提供思路。.2)、通过在纳米多孔金表面沉积具有良好氧还原活性的单原子层Pd和Pt壳，制备了表面富Pt的Pt-Pd-Au三元合金。.3)、以NPG为研究对像，利用理论计算和实验相结合方法，研究了具有丰富低配位数表面原子的NPG和具有(111) 晶面的金八面体的二氧化碳(CO2)电还原性能，通过原子分辨结构表征并结合理论模拟，深入理解了纳米多孔金属表面结构与性能之间的构效关系，指出低配位环境的表面金原子具有更好的电还原CO2的能力。.4)、进一步利用电化学和溶液置换方法对纳米多孔金表面进行修饰，制备了NPG-Pd、NPG-Pt-Au等具有纳米多孔结构的复合材料，并探讨了其在二次电池、燃料电池等领域的应用。