金属团簇的光致团聚机理及其在选择性有机合成中的性能研究

Metal clusters have been regarded one of the prototypes materials for solar energy conversion due to their unique molecular-like properties. However, the light induced aggregation of metal clusters restricts their applications in photocatalysis. Although the photogenerated carriers have been demonstrated to evoke agglomeration of metal clusters by destructing their structures, the subsequent diffusion-agglomeration process for metal clusters sinter is still unclear. This project is focused on the investigation of diffusion-agglomeration and kinetics process for metal clusters fusion under light illumination through a series of advanced characterization methods such as high resolution time-of-flight mass spectrometer and in-situ transmission electron microscopy, which thus reveals the light induced aggregation mechanism of metal clusters. The catalytic performance of metal clusters photocatalysts towards selective organic synthesis will be studied. The relationship among the microstructure, optical properties and activities of metal clusters photocatalysts will be analyzed to reveal the structure-activity correlation. The reaction mechanism variation caused by the agglomeration of metal clusters during the selective organic synthesis transformations will be explored, which thus facilitates the establishment of highly efficient and stable metal clusters photocatalytic systems for selective organic synthesis, and expands the application of metal cluster photocatalysts for solar energy conversion.

金属团簇由于其独特的类分子性质被认为是太阳能转化方向的理想模型材料之一，然而金属团簇光催化剂的光致团聚现象制约了其在光催化领域的应用。尽管目前已经证明金属团簇的团聚是由光生载流子对团簇结构的破坏所诱发的，但金属团簇随后的扩散团聚生长机制尚不明确。本项目拟选用分子结构清晰的金属团簇作为研究对象，通过高分辨飞行时间质谱仪、原位透射电子显微镜等一系列先进表征手段，研究金属团簇在光作用下的扩散团聚过程及其团聚动力学过程，揭示金属团簇光催化材料的光致团聚机理。考察该类光催化剂在选择性有机合成反应中的性能，将金属团簇光催化剂的微观结构、光学性质与其催化性能进行关联，厘清金属团簇光催化剂在有机合成反应过程中由于团簇团聚引起的催化反应机理变化规律，推进高效稳定的金属团簇光催化选择性有机合成体系的构建，拓展金属团簇光催化材料在太阳能转化领域的应用。

金属团簇由于其独特的类分子性质被认为是太阳能转化方向的理想模型材料之一，然而金属团簇光催化剂的光致团聚现象制约了其在光催化领域的应用。尽管目前已经证明金属团簇的团聚是由光生载流子对团簇结构的破坏所诱发的，但金属团簇随后的扩散团聚生长机制尚不明确。本项目Au25团簇作为研究对象，通过原位投射电镜研究了金属团簇在光作用下的扩散团聚过程及其团聚动力学过程，提出了Au团簇在光照条件下的团聚机理，即，迁移聚结机理（PMC）和奥斯特瓦尔德成熟机理（OR），为研究金属团簇光稳定性提供理论依据。此外，利用Au团簇作为电子传输通道，分散到 Mo2C 和 ZnxCd1-xS之间的界面层中，利用Au 和 S 原子之间的强亲和力以及Au的大功函数，促进光生载流子在ZnxCd1-xS 和 Mo2C的界面快速迁移，从而提高材料的整体产氢活性。该模型结构不仅为构建高效的ZnxCd1-xS基光催化剂提供了新策略，而且该设计理念将为开发高效过渡金属基碳化物助催化剂提供新思路。