具有光热效应和异相催化性能的二维硅复合材料研究

Silicon is a foundation material for information industry. The fabrication, functionalization, and application of nanosilicon is an internationally frontier field for research on silicon materials. Here we propose a new concept on the fabrication and application of 2D nanosilicon: first, we will achieve functionalization of the surface of 2D nanosilicon through batch synthesis approach; second, we will employ the 2D features to construct composite structures and confined nano-reactors structures that the conventional silicon materials don’t possess. The composition, morphology, and loading amount of the metals, alloy and oxides composited to the silicon base will also be systematically tuned and characterized. The dependence of catalytic reactions’ stability, reactivity, and pathway on the materials’ structural and optical properties will be illustrated. This will achieve heterogeneous catalysis under mild conditions of some of the paradigmatic reactions that are new types of applications for nanoslicon, e.g. greenhouse gas CO2 reduction for fuel production, and selective acetylene hydrogenation to ethylene. This project if smoothly conducted, will bode well for further profound investigations on silicon-based composite materials and their new application in heterogeneous catalysis.

硅是信息产业的基础材料，纳米硅的制备、功能化和应用是国际硅材料研究的前沿。本项目提出二维纳米硅制备与应用的新思路：通过二维纳米硅的批量合成，实现其表面化学设计；利用其二维特性，构筑普通硅材料不具有的复合结构和纳米限域结构，系统调控和表征硅基体所复合的催化型、光热效应型金属、合金及氧化物的组分、形貌和载量等，揭示材料结构和光学性能对催化反应稳定性、活性、路径等的影响，实现于温和条件下异相催化CO2还原制燃料、乙炔选择加氢至乙烯等新型应用。项目的研究和顺利开展，将为深入研究硅基复合结构材料设计及硅基异相催化新应用提供理论基础。

本项目成功提出了新的二维纳米硅制备和优化方法，并利用其二维特性、表面及前驱体的还原性，发展了新的二维纳米硅复合金属结构，系统调控了其催化选择性、稳定性、活性，实现了光热等较温和条件下的CO2还原制燃料、乙炔加氢制乙烯等靶向应用。例如，在二维硅中原位嵌入铜纳米颗粒，构筑了新金属-载体强相互作用结构，实现了高达38%的CO2转化率，或4442 mmol gCu–1 h–1的产CO速率；通过对二维硅的表面修饰，实现了溶液处理，能形成独特的堆叠结构，可应用于神经形态器件；通过包覆铁核，限域负载镍，实现了1.9 mol gNi-1 h-1的高速率光热产CO，选择性近100%；开发了一种新的多孔硅氧烯的液相合成方法，其比表面积（217.8 m2 g-1）远高于传统的硅纳米片（17.0 m2 g-1），具有更高效的光热催化和电催化性能；首次系统阐述了二维纳米硅催化的优势，以及光热催化CO2还原为甲烷或一氧化碳的净碳排放计算公式，并提出了未来发展方向；成功制备了二维纳米硅同时复合Pd、Cu两种金属的结构，可用于乙炔加氢制乙烯，并发现了金属比例对于反应选择性具有火山效应。总体而言，本项目展示了纳米硅材料优秀的光热效应和表面可化学官能化、可复合其他材料的潜能，并进一步开发了二维纳米硅在催化等前沿方向的新应用，拓宽了纳米硅材料的潜在经济效益和研究方向，同时也为其他二维材料或类似材料提供了设计和应用的参考。