贵金属纳米晶作为一类重要的催化材料,广泛应用于燃料电池和石油化工等领域。由于储量稀少,如何实现贵金属的高效利用成为目前亟待解决的难题。研究表明,贵金属纳米晶的催化性能与其组成、尺寸和表面结构等密切相关。因此,在纳米尺度上合理设计纳米晶结构并开发有效的合成策略以提高贵金属的催化性能是实现其高效利用的有效途径。本论文以铂、钌为研究对象,设计和制备了多种具有特殊结构和组成的合金纳米晶,以电催化和加氢为模型反应,探讨了催化剂结构与性能的关系。双金属铂基纳米晶表面缺陷的构筑与催化。纳米晶表面缺陷在催化反应中常起着促进作用。本章节我们可控合成了具有不同“堆积”数目的Pt-Cu和不同“刻蚀”程度的Pt-Fe纳米晶,后续表征发现在纳米晶相互“堆积”和“刻蚀”区域有较丰富的缺陷存在。以甲醇电氧化(MOR)和氧还原(ORR)反应为例,发现具有最多“堆积”数目的Pt-Cu纳米晶在MOR和ORR中的催化活性分别是商业Pt/C的8倍和11倍,且催化性能与堆积数呈现正相关性;此外以“刻蚀”方法制备的Pt-Fe纳米晶也同样表现出优异的催化性能。本章节为设计性能优良的电催化剂提供了新思路。多元金属铂基纳米晶的可控合成与催化。由于组分复杂且金属之间具有不同的还原电势,多元金属纳米晶难以实现可控合成。以Pt-Pd-Cu三元金属纳米晶为例,详细研究了不同条件对纳米晶生长过程的影响,提出了“腐蚀-还原-选择性外延生长”的协同生长机理。基于这一思路,合成了多种不同组成性能优良的多元金属纳米晶。在此基础上进一步设计合成了表面暴露高密度原子的Pt-Mo-M(M=Fe、Co、Mn等)三元金属超细纳米线。球差电镜表征发现,纳米线表面具有丰富的台阶密度、扭结原子和缺陷,这些结构特点为后续Pt-Mo-M超细纳米线的催化性能提高了保障。Ru基纳米晶的可控合成与催化。采用一步法制备了Co@Ru核壳结构。对其生长过程追踪发现,Co@Ru纳米晶的形成经历了从“轴向生长”到“径向生长”,同时组分从富“Co”到富“Ru”的转变过程。进一步研究发现具有特定摩尔比的Co@Ru纳米晶在加氢反应中具有高活性和选择性。此外该方法还可以拓展到其它Ru基纳米结构的合成中。