Au纳米颗粒－TiO2基体界面结构的高分辨研究

As active catalysts for various chemical reactions, Au nanoparticles dispersed on TiO2 supports have been extensively studied. The underlying mechanisms for the catalytic activity can be attributed to 1). the size effect of the Au nanoparticles, and/or 2). the interface effect. Although the underlying mechanisms are still in dispute, the Au-TiO2 interface, either as the controlling factor for the size of Au nanoparticles or as the active sites, is crucial to clarify the corresponding mechanism. Therefore, a deep understanding of the interfacial structure between Au nanoparticles and TiO2 supports is strongly demanded. The proposed project focuses on advanced characterization of the surface structure of TiO2 supports and the interfacial structure between Au and TiO2 by a TEM. Through the detailed investigation of model systems, the correlation between the surface structure of TiO2 and the morphology of deposited Au nanoparticles will be established. The interfacial structure, including its atomic arrangement and electronic structure, will be studied. These results may shed the light to the structural origins of the catalytic activity of the Au-TiO2 system.

Au纳米颗粒－TiO2被证实具有很強的低温催化活性，产生其催化活性的机理可能是由于负载于TiO2载体上Au纳米颗粒 (Au NPs) 的尺寸效应或者Au－TiO2的界面效应。尽管目前没有公认的机理，但是无论是直接的界面催化效应还是间接的控制Au NPs的尺寸形貌，Au－TiO2界面构态对其催化性能都具有极大影响。因此，对其界面原子/电子结构的准确描述成为迫切需要解决的关键问题。本项目通过对TiO2表面以及Au－TiO2界面结构的深入研究，获得TiO2沉积前表面的结构，负载于TiO2上的Au纳米颗粒 (NPs)的尺寸、形貌和分布规律，研究Au－TiO2界面的原子/电子结构，阐明Au－TiO2体系的催化特性的结构起源。

Au-TiO2界面的原子/电子结构是该体系优异低温催化活性的重要结构基础，但对界面精细结构的准确描述和控制仍存在诸多难题。本项目通过反浸润方法制备Au纳米颗粒-TiO2单晶的模型体系；利用二维X射线衍射术和球差矫正透射电子显微术表征模型体系的界面精细结构，并结合界面几何模型和第一性原理计算分析界面的原子/电子结构；类比晶格匹配的Au-MgAl2O4催化体系，阐明两相界面的热力学特征，揭示控制界面结构的可能性。.关键数据和主要结论如下：一，发现反浸润所得金颗粒的形貌和尺寸具有新的反浸润特性，这些特性和金-氧化物界面结构的改变有强相关性。对应于界面结构的改变，金颗粒的平均尺寸下降并发现多数金颗粒内部出现空洞。这些空洞可进一步扩展，导致金颗粒的分裂并改变金颗粒的平均尺寸。二，Au-TiO2界面发现原子级的界面重构，重构界面的原子结构受到两侧晶体匹配度和热力学参数的影响。Au-TiO2体系存在四种择优晶体位向，主要三种与几何模型的预测一致。重构界面的原子/电子结构与两相的择优取向(或两侧晶体的匹配度)强相关。界面原子排布的周期性随着两相匹配度的降低而减弱；重构界面的离子价态和成键环境随着两相匹配度的降低而剧烈变化。三，获得重构界面具有热力学特性。重构界面可经过热处理，在一定温度范围内形成并稳定存在。不同重构界面的热稳定性有差异，可导致择优取向随热处理温度的改变而变化。重构界面的热力学特性可类比晶格匹配体系，在唯一择优取向下，发现三种重构界面，覆盖室温至金熔点间的热处理温度。四，重构界面的形成可诱导氧化物基体的自生长现象，初步制备了氧化物纳米结构和单晶纳米线。.对Au-TiO2界面结构的详细阐述以及重构界面的可控合成，为阐明催化机理、提高催化活性以及研发新型催化剂提供理论基础。所发现界面诱导氧化物生长的现象有可能提供一种新型廉价制备纳米线的新方法。.本项目资助撰写SCI论文8篇，培养博士生两名，硕士生一名。