Ag基纳米团簇可控合成及其电催化CO2还原性能研究

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原子级精确的币族金属纳米簇(NCS)因其在催化、组装、光电子学、生物标记等领域具有广泛应用潜力而成为一个研究热点。在过去的十年里,已发展起高效的金纳米簇合成方法且其结构解析和性质探索的比较深入,故其在大规模应用方面取得了巨大的进展。然而,由于银对空气很敏感,所以对于银纳米团簇和含银合金团簇(如金银,银铜合金纳米团簇)而言上述方法可能不适用。目前制备银及银基合金簇合物的方法仍然十分有限,且存在过程繁琐、产率极低等问题,这些因素严重制约了银及银合金纳米簇合物的深入研究和应用。同时,近年来银基纳米材料在电催化二氧化碳还原(CO2RR)方面受到越来越多的关注,然而对应的机理研究则远远滞后,原子级精确的银团簇的出现为阐明其中的催化机理提供了可能。因此,为了推动该领域的发展,开发快速且高产率的银纳米簇合物的合成方法以及将银纳米团簇作用于电催化二氧化碳还原并探明其中的催化机理势在必行。本论文通过构建反胶束体系成功高效率地合成了对巯基苯甲酸(p-MBA)保护的Ag44(p-MBA)30以及对应的合金团簇Au12Ag32(p-MBA)30。采用高温还原剂快速加入法首次合成了全炔基保护的Ag15(C≡C-tBu)12并将其应用于CO2RR。本论文主要内容如下:(1)以硝酸银为银源,对巯基苯甲酸(p-MBA)为配体,硼氢化钠为还原剂,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂,通过构建CTAB反胶束体系快速(15 min)高产率(85%)地合成了Ag44(p-MBA)30和Au12Ag32(p-MBA)30。通过紫外可见光谱中看到了他们的特征吸收峰,并通过离子化电喷雾质谱确定了产物的组成。通过拉曼光谱和核磁共振技术对反应前后的体系进行表征,证明了在本体系中CTAB反胶束发挥了微反应器的作用,将短链的Ag-p-MBA前驱体封装在反胶束内部避免了尺寸聚焦等复杂过程,因此这种方法可以高效地合成目标产物。(2)以三氟乙酸银(CF3COOAg)为银源,叔丁基乙炔(HC≡C-tBu)为配体,氰基硼氢化钠为还原剂,通过高温还原剂快速加入法首次成功合成了目前已知的最小的全炔基保护的银团簇Ag15(C≡C-tBu)12。通过X射线单晶衍射技术成功表征其结构,发现Ag15(C≡C-tBu)12中银核为Ag@Ag8@Ag6结构,整体呈现出BCC(体心立方)式结构。将其应用于CO2RR发现,其CO2RR产物为CO,法拉第效率高达95%,同时在-0.8V至-1.5V(vs-RHE)的区间上对CO的法拉第效率均在70%以上,且能有效抑制析氢副反应,同时Ag15(C≡C-tBu)12作催化剂在电催化反应前保持了良好的稳定性。
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