原子单分布Au-M合金团簇的合成与催化性能研究

Owing to their unique properties of alloy nanoclusters, doped gold nanoclusters are currently a hot frontier in the nanoscience and nanotechnology research. However, there are still some serious issues for doped gold nanocluster research: the number of atomically monodisperse doped gold nanoclusters is limited，the synthesis mehods are not rich, and some important scientific issues (e.g. the correlation between the catalytic activity and the type of doping metal) remain unresolved. Based on our previous efforts, we want to conduct systematic research on the Au-M (M is the doping metal) synthesis and catalysis. Initially, we will synthesize a series of Au-M nanoclusters with the same M but different size, or with different M but similar size; then we will characterize their compositions and structures by multiple techniques such as mass spectrometry and single crystal X-ray diffraction, understand some alloying mechanisms, and systematically investigate their catalytic activity. Eventually we will achieve the in-depth understanding on the correlation between their compostions (structures) and properties, providing some references and indication for future synthesis and improvement of Au-M nanoclusters with some application potentialities. Thus, the project to be conducted bears not only scientific significance, but also some practical value for future applications.

由于合金纳米团簇的独特性质，金纳米团簇的掺杂近来成为纳米研究前沿热点之一。然而，对金纳米团簇的掺杂研究仍存在诸多问题：原子单分布的掺杂金团簇的数量仍不多，合成方法有限，有关合金纳米团簇的工作不系统，一些重要科学问题（如合金团簇催化性能与掺杂金属种类的关系）仍有待解决。面对这些情况，我们希望在前期工作基础上，开展系统的Au-M（M为掺杂金属）合金团簇的合成与催化性能研究。我们将利用多种方法合成一系列不同尺寸、掺杂金属相同或尺寸相近但掺杂金属不同的合金团簇，用质谱、单晶X射线衍射等多种手段确定它们的组成结构，理解它们合金化过程的一些规律，并系统考察它们的催化活性，深刻理解催化活性与组成结构的关联，为可应用于实际的Au-M合金团簇的合成和性能改善提供借鉴和参考，因此，本项目的开展，不仅具有重要的科学意义，也具有潜在的应用价值。

金纳米团簇的制备，掺杂与催化性能研究，是纳米材料研究前沿热点之一。然而，对金纳米团簇的掺杂仍存在诸多问题，如合成方法有限，不系统，掺杂的内在机制不清楚，催化性能与掺杂金属关系不确定等科学问题仍有待解决。针对这些情况，我们对合金团簇的制备与催化性能进行了系统的研究。在本项目的执行过程中，我们以金属/合金纳米团簇的制备为切入点，利用多种方法合成了多种金属纳米团簇，并逐一研究了它们的性质，包括：1）发展团簇合成新方法，高产率制备了Au36和Au44纳米团簇，利用制备薄层色谱技术研究了团簇合成中的“Size-focusing”机理；2）发展了酸诱导合成金属团簇的方法，制备了Au42(TPPT)26团簇，打破了TBBT 配位金团簇的序列，进一步拓展了金团簇的研究空间；3）合成了不同组成但掺杂金属相同（Au20Cd4和Au19Cd3）的合金团簇并分别研究了他们催化和光学性质；4）合成结构相同但掺杂金属不同（Au4Pd2和Au4Pt2）的合金团簇，研究了他们在电化学固氮中的催化性能与其结构关系。在整个研究过程中，多种表征方法联合使用，既确定了团簇的组成与结构，又揭示了团簇合金化过程的内在机制。通过比较掺杂前后金属团簇的催化性能，并结合它们的结构特征，构筑了合金团簇的催化性能与结构之间的构-效关系。这些研究结果为我们深入理解纳米催化提供了借鉴。