由于具有独特的物理化学性质,贵金属(如金、钯、铂;Au、Pd、Pt)纳米颗粒在催化、光学、生物传感、电子等众多领域都展现出巨大的应用前景。其中,贵金属纳米颗粒作为催化剂时,它们的尺寸、形貌和组成对其催化性能具有重要影响。通过改变贵金属纳米颗粒的结构和形貌可使其具有更高的比表面积和大量的活性位点,从而可以改善其催化性能。例如,一维贵金属纳米线具有高长径比、各向异性、高密度的活性位点等特性,这些特性可以增大催化反应过程中的有效作用面积并且有利于改善电子传输过程,所以一维贵金属纳米线具有优异的催化性能。此外,由于纳米线还具有柔性较大并且纳米线之间易于相互穿插形成三维的、相互交织的网络结构等优点,使其可以在高容量和高导电性的柔性电池中作为电极材料使用,因此得到了大家的广泛关注。已知同属铂族元素的纯钯和纯铂催化剂在直接醇类燃料电池领域具有优异的醇催化活性,但是纯钯和纯铂催化剂存在高成本、低活性和低稳定性等缺点,因此人们在不断地寻求制备高催化性能和低负载量的钯基和铂基催化剂的方法。例如,通过引入其它金属来制备具有合金、核壳或多元复合结构的钯基和铂基催化剂,这样不仅可以降低钯和铂的用量,而且由于金属间的协同作用和电子效应使其比单一金属颗粒表现出更为优异的催化性能。例如,钯催化剂在碱性条件下对乙醇具有较优的催化氧化性能,而金元素具有优异的抗CO中毒能力等优势。因此,通过在钯纳米线催化剂中引入金元素不仅可以降低钯的消耗,更可以有效地结合钯、金两者的优势,从而制备出兼具高活性和高稳定性的金钯复合纳米线催化剂。钯和铂既具有相似的物理化学性质,又有其各自的特性。例如,钯基催化剂在碱性介质中的电催化性能明显优于铂基催化剂,而铂基催化剂却是在酸性介质中促进氢氧化和氧还原的最有效的催化剂。因此,伴随着质子膜燃料电池的发展,新型铂基催化剂的设计与合成也是一个严峻的挑战。毋庸置疑,金元素的引入可以提高铂基催化剂的催化稳定性。但是由于金和铂之间表面能的限制,铂通常是以岛状颗粒的形式堆积在金核表面。这样一方面不利于提高铂的利用率,同时也不利于提高其催化活性。而钯与金和铂之间均具有很好的相容性,同时钯和铂的结合还可以改变铂的d轨道中心,这也是影响铂基催化剂性能的关键因素。因此,实现金、钯、铂三元复合铂基纳米线催化剂的有效制备具有非常重要的意义。此外,目前合成复合贵金属纳米线催化剂的制备方法中,大多具有前驱体用量较大、表面活性剂难以去除和实验方法复杂等缺点。因此,如何发展一种简单、高效地制备高性能的复合贵金属纳米线催化剂的方法,并且能将其普适到其他类型的复合贵金属纳米催化剂的制备中,具有极大的挑战性和深远意义。基于以上问题,本文以金基铂族(钯、铂)贵金属纳米线的制备及相关机理的探究为研究目标,首先在室温、无外加还原剂的条件下通过钯离子与原位生成的金纳米线上的反置换反应一步制备出网络状结构的金钯合金纳米线,并探究了其作为电催化剂使用时在柔性燃料电池中的应用前景。接着,在金铂纳米线的基础上通过引入高质量的钯过渡层成功制备了核壳结构的金@钯铂复合纳米线,并探究了其元素组成与催化性能之间的关系。最后,针对反置换反应制备金钯纳米线时的反应结果,借助不同尺寸和形貌的金纳米颗粒氧化电位的测试以及与钯离子的反置换反应,首次证明了反置换反应的发生与纳米颗粒的表面缺陷密切相关。全文共分为五章(第一章为绪论),具体研究内容如下:第二章,首先,在室温条件下,通过精确控制柠檬酸钠和氯金酸的反应时间获得金纳米线中间体。其次,通过钯的前驱体离子直接与金纳米线反置换反应得到了金钯纳米线,并进一步表征了它们的形貌及表面组成。然后,通过仔细调控金钯合金纳米线的表面组成获得了具有最佳乙醇催化性能的网络状结构的Au95.1-Pd4.9合金纳米线。最后,将得到的Au95.1-Pd4.9合金纳米线与常见的全氟磺酸或碳布复合制备出可应用于燃料电池的宏观、柔性电极材料。此外,还使用琼脂糖制备出含Au95.1-Pd4.9合金纳米线的复合水凝胶。其中,与全氟磺酸复合形成的Nafion-Au95.1-Pd4.9合金纳米线复合膜具有较好的柔性和强度,因此可以将其转移到具有不同化学性质和曲率的固体基底上。同时负载在玻碳电极上的Nafion-Au95.1-Pd4.9合金纳米线复合膜在碱性KOH介质中对乙醇有着优异的催化氧化性能,其ECSA值(163.5 m2 gPd-1)、质量归一化电流密度(33.1 A mgPd-1)和比活性(20.2 mA cm-2)分别是商业Pd/C的(30.4 m2 gPd-1,0.20AmgPd1,0.66 mA cm-2)的5.4倍、165倍和31倍。而与碳布复合形成的Au95.1-Pd4.9 alloy NWNs@CFC结构可以直接作为乙醇燃料电池的柔性电极使用,并且其ECSA值可高达288.2 m2 gPd-1。同时该Au95.1-Pd4.9 alloy NWNs@CFC结构在平展、弯曲、对折和卷曲等不同弯曲程度下催化乙醇的循环伏安曲线基本相同,该结果进一步拓展了其作为可穿戴柔性电极装置的可能性。第三章,首先,通过选择合适的铂前驱体离子以及用量在室温无还原剂的条件下制备表面光滑的金铂纳米线,并探究了其在碱性和酸性条件下的甲醇催化性能。然后,通过引入高质量的钯过渡层,并通过加入过量的抗坏血酸AA,制备具有光滑表面的核壳结构的金@钯铂合金纳米线。通过调节金钯铂纳米线制备过程中的钯、铂前驱体的用量以及铂的加入时间,可以得到具有最优表面形貌以及催化活性的Au69.8@Pd8.7Pt21.5合金纳米线。同时由于纳米线表面存在较多的活性位点以及由钯层引发的金、钯和铂之间的电子相互作用,所制备的核壳结构Au69.8@Pd8.7Pt21.5合金纳米线在酸性条件下催化甲醇的ECSA值(67.8 m2 gPt-1),质量归一化电流密度(781 mAmgPt-1)和比活性(1.15 mAcm-2)分别是相同金铂摩尔比的Au3Pt纳米线(36.6 m2 gPt-1,84 mA mgPt-1,0.23 mA cm-2)的 1.9倍,9.3倍和5倍以及商业Pt/C催化剂(14.1 m2 gPt-1,120 mA mgPt-1,0.85 mA cm-2)的4.8倍,6.5倍和1.35倍。第四章,首先制备了尺寸为3、6、16、50 nm的类球形金纳米颗粒以及表面含有大量缺陷的70 nm金二十四面体,Au6-16气凝胶和3 nm金纳米线。然后,探究了表面配体组成对金纳米颗粒氧化电位的影响。在此基础上,借助不同尺寸和形貌的金纳米颗粒氧化电位的测试以及它们与钯离子间的反置换反应证实了类球形金纳米颗粒氧化电位主要依赖于其粒径的变化,而表面含有大量缺陷的金纳米颗粒的氧化电位更大程度上归结于其表面缺陷的影响,这也是反置换反应的主要推动力。本工作的发现进一步扩展了对反置换反应的认知,并且为多元纳米材料的构筑提供了一个新的设计思路,具有重要的理论意义。在第五章,对现有工作进行了总结与展望。综上所述,本工作制备出了金钯,金铂以及金@钯铂复合纳米线,并探究了其反应机理,丰富了金基—钯、铂催化剂的制备方法并扩展了其在柔性燃料电池中的应用。