普鲁士蓝基各向异性纳米颗粒团簇的设计、构筑及电催化特性研究

The construction of novel anisotropic nanoparticle clusters (NPCs) is of high scientific significance for a deep understanding of the structural evolution of materials at the micro-scale. Besides, the NPCs could provide a new platform for exploring the structure-function relationship and catalytic mechanism of the catalysts from the “cluster” view, which is a special level in the nanoscale assembly. This project aims to address the daunted synthesis challenge and the limited study about electrocatalytic properties of the anisotropic NPCs. On the basis of the existing cognition about the Prussian blue-based nanomaterials, the applicant intends to explore some novel strategies for constructing Prussian blue-based anisotropic NPCs, realizing a controllable regulation in composition, morphology, assembly configuration, and so on. Besides, this project intends to investigate the essence of the interactions among nanoparticle building units, and propose its possible universal significance. Finally, the structural effect of the obtained NPCs on the electrocatalytic oxygen evolution reaction (OER), including activity, stability, and other performance parameters, would be systemically studied. The observed structure-function relationships will help us to recognize the rules inside, which could provide feedback to guide the rational design of materials. This project may enrich the structural complexity of the NPCs as well as the assembly-involved methodology, extend the cognition and understanding toward the oriented force for the assembly of colloidal nanoparticles, promote the development of not only the catalysis diversification by using NPCs but also the high efficient and stable OER electrocatalysts.

构筑新型各向异性纳米颗粒团簇对深入理解材料在微观尺度下的结构演变过程具有十分重要的科学意义，同时可为探索催化材料在“团簇”这一特殊的纳米组装层次上的构效关系与催化机制提供一个新平台。针对目前各向异性纳米颗粒团簇在制备上的困难及在相关电催化特性研究方面的不足，本项目基于申请人对普鲁士蓝基微纳米材料的已有认知，拟发展新型的普鲁士蓝基各向异性纳米颗粒团簇超结构的构筑策略，实现其在组分、形貌、组装构型等方面的可控制备，探索纳米颗粒基元间定向作用力的本质及可能的普适意义，研究各向异性纳米颗粒团簇催化剂的结构对析氧电催化活性、稳定性等性能参数的影响以及特定的构效关系，获得规律性的认识，从而反馈指导材料的合理设计。本项目的开展将有望丰富纳米颗粒团簇结构的复杂性及其组装合成方法学，拓展对胶体纳米颗粒定向组装作用力的认识和理解，推动纳米颗粒团簇的催化应用多元化以及相关高效稳定析氧电催化剂的发展。

构筑新型各向异性纳米颗粒团簇对深入理解材料在微观尺度下的结构演变过程具有十分重要的科学意义，同时可为探索催化材料在“团簇”这一特殊的纳米组装层次上的构效关系与催化机制提供一个新平台。针对目前各向异性纳米颗粒团簇在制备上的困难及在相关电催化特性研究方面的不足，本项目以普鲁士类似物（PBA）基材料为主要研究对象，在以下三方面进行了研究：（1）PBA基纳米颗粒团簇的可控制备方法；（2）纳米颗粒团簇的微结构及生长机制；（3）电催化析氧反应（OER）性质及相关催化机理。通过本项目的开展，项目负责人在PBA基微纳组装材料可控构筑及其电催化特性方面这一特色方向获得了一些创新性成果。具体来说，发展了PBA基纳米颗粒团簇材料的可控合成新方法，例如基于固相化学合成的拓扑化学转换法；在产物形貌、成分以及尺寸的控制方面取得了进展，获得了至少5种高质量的PBA基纳米材料及其组装的纳米颗粒团簇材料；利用诸如冷冻透射电子显微技术等先进表征手段深入探索了电子束敏感材料的微观结构；利用基于密度泛函理论的模拟计算阐明了PBA基纳米颗粒团簇的OER电催化性能增强机制及其结构影响规律。本项目的研究成果丰富了纳米颗粒组装团簇超结构的复杂性及其组装合成方法学，拓展了对纳米颗粒定向组装作用的认识和理解，推动了纳米颗粒组装超结构在电解水催化领域的应用以及相关高效稳定析氧电催化剂的发展。.在本项目的资助下，项目负责人以第一/通讯作者发表SCI收录论文7篇，期刊影响因子均大于10，包括Adv. Mater.、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.等，ESI高被引论文3篇，获批国家发明专利1件。受邀在国际、国内学术会议上作报告10次。培养博士生2名，硕士生4名。项目负责人获批国家优秀青年科学基金项目，是浙江省低维功能材料与器件创新团队负责人。