金纳米晶由于具有独特的物理化学性质,在很多领域,如:医学诊断学、探测器、催化、纳米药物学等都有巨大的应用价值。其中,水溶性类球形金纳米晶由于制备方法简单,易于被非材料专业,如:生物、物理、化学等专业的研究者制备,在很多实际应用中发挥着重要作用,从而引起了人们广泛的关注。目前制备水溶性类球形金纳米晶最常用的方法是1951年由Turkevich提出的,即使用柠檬酸钠还原氯金酸来直接制备。后来,Frens通过改变柠檬酸钠和氯金酸的摩尔比制备出尺寸范围为16-150nm的金纳米晶。但是随着尺寸的增大,金纳米晶尺寸分布变宽、形貌变得不均一。后来,我们课题组改善了传统的Turkevich法,将柠檬酸钠、氯金酸和硝酸银的混合液加入到沸水中,制备出了尺寸范围12-36 nm的单分散类球形金纳米晶。但是随着柠檬酸钠浓度的降低,成核速率减慢,二次成核不可避免,在合成尺寸大于36nm的纳米晶时,开始出现椭球形或者其他不规则形貌的副产物。目前制备尺寸范围较大的金纳米晶方法比较复杂,可重复性差,所以用一种简单的方法制备尺寸范围大、形貌均一、重复性好的类球形金纳米晶仍然是一个严峻的挑战。双金属核壳纳米晶由于不同组分间的协同作用使其物理化学性质得到显著增强,从而在很多领域得到广泛关注,尤其在直接燃料电池领域中成为了研究热点。众所周知,钯基纳米催化剂在碱性条件下对乙醇氧化有优异的催化性能,将金引入到销基纳米催化剂中,可以有效的提高纳米催化剂的催化活性和抗CO中毒能力。当金纳米晶上生长厚度只有几个原子层的钯时,由于两种金属间的晶格常数不匹配引起的应力效应和电子耦合产生的配位效应,使得金钯核壳结构纳米晶的催化性能得到显著提高。最近,很多报道认为,纳米晶表面存在的缺陷同样可以提高纳米催化剂的催化性能。但是,目前仍然很难解释纳米催化剂在质量归一化的电流密度(mass activity)和电化学比表面积归一化的电流密度(specific activity)之间的差异。由于制备具有不同缺陷密度的纳米催化剂比较困难,并且到目前为止,纳米催化剂表面缺陷仍然缺少定量计算的公式,所以很少有报道定量分析纳米催化剂的缺陷密度与其mass activity和specific activity之间的关系。因此用简单的方法制备出具有不同缺陷密度、薄钯层的金钯核壳结构纳米晶,对在乙醇燃料电池的应用中有巨大的利用价值。基于以上问题,本论文首先通过加入过渡金属离子(如Fe2+/Cu+和Ag+离子),通过两者的协同作用,成功制备出单分散、类球形的14-60nm的球形金纳米晶;接着我们在三羟甲基氨基甲烷体系中,用一步种子生长法合成尺寸范围为31-577 nm的类球形金纳米晶,并且考察了以对巯基苯胺(4-AIP)为探针分子,类球形金纳米晶的表面增强拉曼的尺寸效应;最后基于金纳米晶所具有孪晶缺陷的本质,提出缺陷密度的概念并给出计算公式,并考察了金钯核壳结构纳米晶中缺陷密度和尺寸与催化性能之间的关系。具体研究内容如下:在第二章中,通过将柠檬酸钠与Fe2+或Cu+离子以及硝酸银的混合液代替柠檬酸钠加入到沸腾的氯金酸溶液中,成功制备出尺寸范围为14-60nm的单分散、类球形金纳米晶。和传统的Frens方法相比,我们制备的金纳米晶尺寸分布范围较窄,且形貌为均一的类球形。加入还原性较强的Fe2+或Cu+离子,可以在柠檬酸钠浓度较低时,与氯金酸发生氧化还原反应,直接将Au3+离子还原成Au0原子,加入的Ag+离子作为催化剂,可以有效加快柠檬酸钠的氧化从而加快成核速率;同时能够将形成的金纳米晶的形貌重塑成球形,保证纳米晶各项同性的生长。这两种离子之间的协同效应使我们的体系可以合成出单分散、类球形的金纳米晶。在第三章中,在具有生物相容性的三羟甲基氨基甲烷体系中,以在柠檬酸钠体系合成的17nm类球形金纳米晶作为种子,通过改变种子的浓度可以成功制备出31-577nm的单分散、类球形的金纳米晶。和文献报道的种子生长法不同,本方法操作简单,只需要顺次将17nm类球形金纳米晶种子和氯金酸溶液加入到沸腾的三羟甲基氨基甲烷溶液中即可。在最佳的pH范围内,金纳米晶的尺寸和浓度可以简单的通过调节加入的金纳米晶种子浓度或者氯金酸的浓度来调控,通过改变氯金酸的浓度可以制备出高产量的金纳米晶。此外,以4-AIP作为探针分子,对制备出的不同尺寸的类球形金纳米晶进行表面增强拉曼测试,发现随着尺寸的增加,表面增强拉曼呈"火山型"的变化趋势。以不同尺寸的类球形金纳米晶基底,在不同激发波长的条件下对4-AIP分子进行表面增强拉曼测试,结果表明,在633和785 nm激发波长下,97nm 和408 nm的类球形金纳米晶分别具有最大的表面增强拉曼散射。在第四章中,以柠檬酸钠体系中合成的不同尺寸具有不同缺陷密度的类球形金纳米晶(6,12,19,30,57nm)作为种子,用大量的AA作为还原剂,在室温下还原氯钯酸钠制备出厚度具有几个Pd原子层的金钯核壳结构纳米晶,并测试它们在碱性条件下对乙醇的催化氧化的能力,结果表明壳层厚度影响它们的催化性能,具有一个Pd原子层厚度的金钯纳米晶具有最佳的催化性能。在这一章中,我们首次提出了表面缺陷的概念,并对缺陷做出定量的计算。计算结果和催化性能相比,我们得出:纳米晶的specific activity随着缺陷密度的增加逐渐增大,而它们的活性比表面积(ECSA)和mass activity是随着尺寸的增加呈"火山型"的变化趋势。C19S [email protected]/C取得最佳的催化性能和稳定性,它的ECSAC119.8 m2 g-1)、mass activity(11.0 A mgPd-1)和 specific activity(9.3 mA cm-2)值分别是商业 Pd/C(24.9 m2 g-1,0.3 A mpd-1,and 1.2 mA cm-2)的 4.8 倍、36.7 倍和 7.8倍,时间-电流稳定测试7200s后,C19S [email protected]/C的电流密度(0.337 AmgPd-1)是商业 Pd/C(8.2mA mgPd-1)的 40.9 倍。在第五章中,我们进行了总结与展望。综上所述,我们制备出尺寸均一的14-577 nm的类球形金纳米晶以及具有不同缺陷密度的金钯核壳纳米晶,可以大大扩宽纳米晶在生物和催化等方面的应用。