"摇铃"型介孔二氧化硅包裹纳米颗粒催化剂的自模板法制备及催化性能研究

纳米催化剂是近几年化学和材料科学前沿的一个日益重要的研究领域。纳米催化剂的表面存在大量活泼原子，通常很不稳定，容易发生团聚和氧化，从而影响了纳米催化剂的性能。本项目将致力于研究和发展简单的"自模板"（Self-templating）方法来制备"摇铃"型介孔二氧化硅包裹纳米颗粒催化剂，来提高纳米催化剂的高效性、稳定性、催化反应速率可控性、可回收性及可循环性。在这种结构中，二氧化硅壳层可以阻止纳米颗粒之间的团聚，壳层上的介孔通道便于反应物在壳层内外的传输，内部的空腔为催化反应提供了空间同时也保证了内部的纳米颗粒的活性位点不被屏蔽。与传统的"模板"（Templating）法制备"摇铃"型的纳米催化剂相比，这种"自模板"法具有反应步骤少、反应条件温和、不需要额外的模板、壳层的厚度及孔道的大小易于调控等优点。这种简单且十分有效的制备方法将为纳米催化剂产品的实用化和产业化提供新思路。

本项目利用简单的溶液化学法通过调控制备参数等手段，成功获得了一系列不同结构、形貌和尺寸的纳米结构催化剂，并系统研究了催化剂的结构与其催化性能的关系，为开发新型高效的纳米催化剂提供了新思路。（1）开发了利用H2O作为温和刻蚀剂的“表面保护性刻蚀”自模板法并获得多种“摇铃”型介孔空心纳米复合结构。相比早前发展的利用强碱作为刻蚀剂的“表面保护性刻蚀”自模板法具有反应温和、参数可控和普适性强等众多优点，解决了小尺寸（< 100 nm）介孔空心SiO2基材料不易制备的难题。（2）利用十八酸分子作为结构导向剂和还原剂，成功制得了含有高比例暴露{110}活性晶面的Cu2O二十六（十八）面体混合微晶。与低活性晶面围成的Cu2O八面体和立方体微晶相比，这些具有高比例暴露{110}活性晶面的Cu2O二十六（十八）面体混合微晶具有更高的光催化降解有机染料的活性。（3）在温和的反应条件下，通过形貌控制优先暴露活性晶面的方法可控获得了三种含高指数晶面（{211}、{522}或{311}）的Cu2O五十面体微晶可见光光催化剂。由于高指数晶面上存在较多的原子台阶和悬空键，使Cu2O五十面体微晶在可见光催化降解甲基橙时表现出比由低指数晶面围成的Cu2O立方体和八面体微晶更好的性能。（4）综合利用沉积沉淀等方法合成了几种介孔SiO2包覆的负载有超细贵金属纳米颗粒（< 2 nm）的石墨烯基催化剂。介孔SiO2层的存在有效抑制了贵金属催化剂和石墨烯的团聚，从而大大提高了催化剂的活性和稳定性。（5）以Zn片为基板，通过简单的水热法成功实现了纳米片状、纳米管状和纳米花状等三种不同形貌ZnO催化剂薄膜的可控制备。纳米片状ZnO薄膜由于暴露较多的高活性晶面，表现出最高的光催化降解罗丹明B活性。同时，它还具有非常稳定的催化活性，循环10次后其降解效率未见明显降低。（6）利用脉冲电沉积技术和PVP的结构导向作用，可控获得了块状和花状Pt纳米催化剂。具有更多催化活性位点的块状Pt纳米催化剂在室温甲醇电催化氧化和氧还原反应中表现出更好的催化性能。（7）利用硫脲作为结构导向剂，可控制备了多种复杂多层次CoS纳米结构。这些不同形貌的CoS纳米结构材料在催化和电化学电容领域具有潜在的应用价值。（8）基于以上成果，我们应《Nanoscale》和《高等学校化学学报》编辑的特别邀请撰写了纳米催化和介孔空心纳米结构研究的进展综述。