液相中激光诱导贵金属基合金纳米晶的生长及其合金化过程研究

Laser ablation in liquids (LAL) is a powerful technique to fabricate alloy nanocrystals (ANs) under non-equilibrium kinetics conditions. Noble metal-based nanocrystalline alloys hold important applications in catalysis, biotechnology and others. In a single liquid solution without using of normal ions reactive sources, successfully achieved the tunable growth of noble metal-based ANs should have unique advantages for further investigation of its growth kinetics and structure-dependent catalytic or bio-properties. This project will focus on the fabrication of elemental platinum, gold based ANs in liquid solutions of molecules such as water, acetone by laser ablation technique. The main research contents including: investigating the dissolution of nanoparticles of alloy precursors, interfacial fusion, nucleation, growth and structural evolution of ANs under laser ablation/irradiation，optimizing the critical parameters for the formation of solid solution and intermetallic ANs with novel properties and unique core-shell, heterojunction structures, exploring the possibility for the formation of metastable ANs with novel properties, investigating the structure, size and composition -depended optical, magnetic and catalytic behaviors of noble metal-based ANs. Implementation of this project would provide substantial supporting of technique and materials for understanding the non-equilibrium growth kinetics of ANs, exploring the possibilities and applications for the formation of alloy nanoparticles by LAL technique.

液相环境中的激光熔蚀为非平衡动力学条件下制备合金纳米晶提供了有力的技术基础。贵金属基合金纳米晶在催化、生物等领域具有重要的应用。在单一液相体系中，通过激光熔蚀实现贵金属基合金纳米晶的无离子源制备与结构调控，对合金纳米晶的生长动力学理解及性能-结构关联性澄清具有独特的优势。本项目拟以Pt、Au基合金纳米晶作为材料研究对象，在水、丙酮等小分子溶液体系中，系统研究合金前驱体纳米颗粒的熔解、界面融合、合金纳米晶的形核、生长与结构演变过程，优化特定结构（核壳、异质结）合金及金属间化物纳米晶合成的关键调控参数，探索具有亚稳结构和独特物性合金纳米晶的生长，研究合金纳米晶结构、尺寸和成分关联的光、磁及催化特性。本项目的实施将为极端非平衡动力学条件下合金纳米晶的形成机制研究提供坚实的技术与物质基础，为基于液相激光熔蚀技术可控制备合金纳米晶提供可参考的科学依据。

液相激光制备和加工技术的发展为合金纳米晶的获取提供了新的途径。结合激光熔蚀和辐照技术，发展一种新的、无离子源贵金属基合金纳米晶制备方法，探索贵金属基合金纳米晶非平衡态成核、生长的动力学过程，澄清贵金属基合金纳米晶尺寸、结构和成分与性能之间的关联性，对深入理解合金纳米晶的生长机制具有重要科学意义，也是后续可控合成功能合金纳米晶材料，满足不同领域应用需求的研究基础。本项目首先采用液相激光熔蚀技术（LAL），以Pt、Au、Fe、Ni、Co、Ge、Sn等靶材作为熔蚀对象，在去离子水中通过调控激光参数、液相介质（水、乙醇、丙酮），制备了具有清洁表面、高分散、高活性和高反应性特征的Pt、Au、Fe1-xO、Ni/Ni(OH)2、CoOx纳米颗粒胶体溶液，并用TEM、XRD，Zeta电位仪等测试手段对纳米颗粒的结构、尺寸和光吸收特性进行了详细地表征分析，获得了大量的LAL诱导合金纳米晶的物性信息。将两种不同前驱体纳米颗粒（至少一种为贵金属Pt或Au）混合后，通过置于高能脉冲激光下辐照诱导合金化反应发生，成功制备出Pt-Au、Pt-Co、Pt-Fe、Pt-Ni等多种贵金属基合金（或金属间化合物）纳米晶，采用优化激光参数、溶剂种类和改变前驱配比的方式对贵金属基合金纳米晶的结构、尺寸和成分进行了有效地调控，并研究和分析了三种不同合金纳米晶的形成机制，初步揭示激光参数、液相介质、前驱体比例对合金纳米晶的结构、尺寸和成分的影响。此外，以紫外可见分光光度计（UV-vis）、电化学工作站等作为性能评估手段，获得了不同结构、成分和尺寸分布Pt、Au基合金纳米晶的光学、磁学和催化特性，研究了合金纳米晶性能与结构、成分和尺寸分布之间的关联性。基于相关研究结果，发表期刊论文8篇，申请发明专利1项，协助培养硕士研究生1名，博士研究生2名。