基于磁性金属的多组元复合纳米晶的形成机制、界面结构及其磁学和光学特性研究

The preparation of hybrid nanocrystals with specific structure and multiple functionalities by rational design in nanoscale on the composition and structure of different consisting components has become an important research area in nanomaterial researches in recent years. In this project, chemical solution methods will be used to prepare magnetic metal single-crystalline nanocrystals with low-concentration of defects, high crystallinity and controllable shapes. Then the prepared magnetic metal single-crystalline nanocrystals will be used as seeds to grow coin metal and semiconductor nanocrystals to form hybrid nanocrystals with novel and controllable structure. The key preparation parameters for the synthesis of magnetic metal single-crystalline nanocrystals and the formation mechanism of hybrid nanocrystals will be studied. The rules for the epitaxial growth of hetero-components will be explored. The interface characteristics of hybrid nanocrystals will be investigated by advanced analytic electron microscopy and their structural models will be derived. The magnetic and optical properties will be characterized by multiple analytic techniques and the relationship between interface and their physical properties will be clarified. Finally the prepared hybrid nanocrystals will be tested on their applied functionalities such as photocatalysis. The proposed project will provide theoretic guides on the preparation of hybrid nanocrystals with specific spatial distribution of hetero-components and multiple functionalities such as magnetic, optical and catalytic properties. It is also meaningful for improving the properties of magnetic metal-based hybrid nanocrystals and promoting their applications in multiple fields.

在纳米尺度上对不同结构组元进行成分和结构的合理设计，制备具有特定结构和多功能特性的复合纳米晶材料是当前纳米材料研究的重要热点之一。本项目拟采用化学液相法制备低缺陷、高结晶性、形状可控的磁性金属纳米单晶体，并以此为晶种诱导生长币族金属和半导体纳米晶，从而获得结构新颖、可控的多组元复合纳米晶。系统地研究磁性金属纳米单晶体形成的条件，揭示复合纳米晶的形成机制，阐明异质组元实现外延生长的规律；通过先进的电子显微分析技术分析异质界面的特性，确定其结构模型；重点表征复合纳米晶的磁学和光学特性，澄清异质界面的形成与复合纳米晶物理性能的关系；进行光催化等方面的应用测试，为异质组元按照特定的空间分布，在纳米尺度上形成兼有磁、光、催化等多种功能特性的多组元复合纳米晶的制备提供理论上的指导，同时为基于磁性金属的复合纳米晶材料的性能提升，以及拓展其在众多领域的应用提供新思路。

本项目以具有特定结构和多功能特性的复合纳米晶材料为研究背景，首先对以磁性金属Ni为主要代表的磁性纳米组元进行了化学液相法的制备探索,获得了形状可控、结晶性高的纳米晶体，然后以此为晶种诱导生长币族金属和半导体纳米晶组元，获得了结构新颖、可控的复合纳米晶，并对其磁学、光学和光催化等特性进行了表征，最后对半导体-半导体纳米复合体系的可见光催化产氢性能进行了探索，所取得主要进展和成果有：1）通过小分子和无机离子调控的方法，对金属镍、铁氧化物、钴氧化物为主要代表的纳米晶成核与生长进行了控制，制备出了纳米立方块、纳米棒、纳米片等不同形貌的纳米晶体，获得了影响产物尺寸、形状和结晶性的关键参数，发现纳米晶的形状与其磁学特性有着重要的联系；2）研究了磁性金属Ni与币族金属Au、Cu在纳米尺度复合的机理，实现了核壳结构和异质结构等不同的复合方式，探明了影响复合结构的重要因素，丰富了现有的复合纳米晶类型，获得了通常难以制备的磁性金属核壳结构纳米立方块；3）探索了磁性金属、币族金属、半导体组元在纳米尺度实现有效复合的方法，获得了Ni-ZnO、Cu-ZnO、AuCu3-ZnO、Ni-Au-ZnO等一系列半导体完全包覆金属的核壳结构，以及磁性金属-币金属-半导体通过特定晶面相互连接的异质结构纳米晶，实现了具有磁可控性、表面等离子体共振吸收及光催化特性等多种功能的复合纳米晶的可控制备； 4）通过多种表征技术获得了复合纳米晶各组元的尺寸、形貌、晶体结构、空间分布等信息，揭示了不同复合方式的形成机理，探明了异质界面与组元晶面特性之间的规律；5）研究了磁性金属组元、半导体组元的尺寸、形状等特性对复合纳米晶的磁学参数、光吸收特性和光催化特性的影响，获得了可调控的磁学和光学性质，以及探明了具有最优光催化降解有机染料性能的几个复合体系；6）开展了半导体-半导体纳米复合体系的可见光催化产氢特性的研究，发现以Ni2P-g-C3N4为主要代表的纳米复合体系具有优异的光催化水解产氢性能。