功能性贵金属纳米团簇的合成及其光催化产双氧水的应用研究

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近年来,贵金属纳米团簇(NCs)作为一种新型的纳米材料,在材料科学、化学和工程等领域都引起了极大的关注。贵金属NCs是由内部金属核和表面配体组成。目前,大多数研究都集中金属内核,人们已经探究出不同的合成策略,设计出不同尺寸和结构的贵金属NCs,这极大的扩展了它们的应用范围。但是与此同时却忽略了表面配体重要性,除了承担保护贵金属NCs内核的作用,表面配体对贵金属NCs的结构和性能也有着重要的影响作用。作为贵金属NCs的最外层,表面配体直接与外界环境接触,决定贵金属NCs在各种应用中的性能。因此,通过对贵金属NCs表面配体的结构进行设计和修饰,可以提高贵金属NCs的功能性,有利于进一步推动贵金属NCs在方法设计、合成和应用方面的进步。另外,由于尺寸较小、表面能大,贵金属NCs因此处于能量不稳定状态,在使用过程很容易团聚。因此,提高贵金属NCs的稳定性有利于满足各种新兴应用的要求。鉴于表面配体的重要性和可修饰性,本研究提出通过表面配体设计得到功能性贵金属NCs,以满足各种新兴应用的要求。在本研究中,首先对贵金属NCs表面配体进行了设计,利用所带官能团成功合成不同功能化表面配体,进而得到各种功能性贵金属NCs,为下一步应用研究奠定基础。其次针对贵金属NCs在光催化缺乏活性位点、效率低的问题,设计合成了一种表面配体保护的功能性贵金属NCs,来调节反应路径和提高光催化活性。最后,本研究采用“限域”策略,将贵金属NCs封装在多孔纳米材料,实现提高贵金属NCs稳定性的目的。具体研究内容如下:(1)为了通过表面配体得到功能性贵金属NCs,本课题通过简单的1-3-二甲氨基丙基-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)化学交联方法将功能分子与贵金属NCs的表面配体通过酰胺键结合,成功制备三种功能化表面配体,进一步合成不同的功能性贵金属NCs。另外,通过优化合成策略和反应条件,实现功能性贵金属NCs表面功能分子数量的控制。表面配体的设计和功能化不仅为贵金属NCs带来了新的特点,也为拓展贵金属NCs的应用领域奠定了基础。(2)针对贵金属NCs在光催化中缺乏活性位点、效率低问题,本课题根据上一章中合成策略,以硫辛酸(DHLA)保护Au NCs作为模型,设计并合成多巴胺(DA)表面功能化的Au NCs。由于DA独特的儿茶酚结构,DA不仅作为电子接受体,提高功能性Au NCs光生载流子分离能力。更重要的是,DA还可以充当活性位点,调节氧还原反应路径。结果表明,DA表面功能化的Au NCs将氧气还原成H2O2是通过双电子ORR反应,而不是单电子还原,这大大提高Au NCs光催化产H2O2能力。另外,将功能性Au NCs包覆到ZIF-8内部增强其稳定性,解决了由于长时间光照使Au NCs分解导致光催化效率降低的问题,光催化反应7 h后H2O2产量高达1.198 m M。本研究为通过表面配体设计高效功能性贵金属NCs基光催化剂提供了借鉴。(3)Ag NCs稳定性差一直阻碍其广泛应用。有鉴于第二体系通过ZIF-8封装来提高功能性Au NCs稳定性,进而实现提高功能性Au NCs光催化产H2O2的能力。本课题通过一种简单的合成策略成功制备了三种不同结构和尺寸的Ag NCs@Si O2纳米材料。研究表明,将Ag NCs可控组装Si O2纳米材料内部,有效限制Ag NCs团聚,大大提高了Ag NCs的稳定性。而且该策略同样也适用于合成Au NCs@Si O2纳米材料。本研究提高了贵金属NCs稳定性,为下一步包覆功能性贵金属NCs,研究H2O2的光催化性能奠定基础,也为拓宽贵金属NCs应用提供一种可行的方法。
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