纳米催化剂是纳米科学的前沿领域之一,对于人类的生存和发展具有十分重要的意义。纳米催化剂具有独特的尺寸和结构,与体相催化剂相比,具有完全不同的表面效应、小尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应等特殊性质。发展合适的纳米催化剂,实现绿色高效的物质转化,获取清洁环保的洁净能源,符合可持续发展的要求和人类的长远计划。其中,Pt基纳米材料作为研究最多、应用最广的纳米催化剂之一,在过去几十年中得到了飞速的发展。其被广泛地应用于有机化学催化反应,比如加氢偶联等等,以及电催化反应和众多的燃料电池新能源装置中,是科学研究和工业生产都不可或缺的纳米催化剂。Pt基纳米催化剂的组成、形貌、尺寸等等都可以通过控制合适的合成条件进行有效地调控,从而来满足不同的催化需求。目前研究的重点在于,一方面是提高Pt的原子利用率,尽量增加Pt基纳米材料的表面积以充分暴露金属原子,增加反应活性位点,另一方面则是提高Pt基纳米催化剂本身固有的催化活性,通过协同、应力等方法,改变金属表面的电子态等。零维的纳米粒子、一维的纳米线、二维的纳米片、三维的多孔材料等都具有各自特殊的结构特征,如何发展新的方法,来设计合成这些Pt基纳米材料,对于纳米催化的进一步发展和应用具有十分重要的意义。本论文以可控合成新颖的Pt基纳米催化剂为基础,以发展新方法合成零维、一维、二维、三维Pt基纳米催化剂作为研究主线,通过采用新型有机多孔材料负载、去合金化、小分子气体调控、合金化等方法设计制备不同的Pt基纳米催化剂,并对合成过程的条件进行筛选,对形成机理进行研究,对制备的材料进行精确表征。在获得一系列高质量的Pt基纳米催化剂的同时,我们进一步深入研究了它们在有机催化(主要是胺类化合物的选择性合成)、电催化(主要是直接甲醇燃料电池中涉及的甲醇氧化和氧气还原)中的应用。该研究体系对于设计合成Pt基纳米催化剂,推动纳米催化剂在工业生产、能源材料等方面的应用具有一定的指导意义。(1)纳米催化剂的合成:本论文成功合成了零维、一维、二维、三维Pt基纳米催化剂(共价有机骨架材料负载的超细Pt纳米粒子、超细Pt纳米线、蠕虫状PtMo纳米线、支状的PtIr三支材料、Pt树枝状材料、Pt Ru花状材料等),并通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等测试手段,对合成材料的形貌、组分、表面原子分布、价态等进行表征。(2)有机催化性能研究:采用硫醚修饰的共价有机骨架材料负载的超细零维Pt或者Pd纳米粒子,应用于对硝基苯酚的还原和Suzuki-Miyaura偶联反应中,表现出非常好的活性,并且在循环测试中具有出色的稳定性;采用去合金化的方法得到的超细一维Pt纳米线高效催化氰类化合物和哌啶等仲胺类化合物还原偶联,高选择性地合成了一系列的叔胺类化合物;以硝基甲烷或者甲胺作为N源,通过与醛类化合物还原偶联高效得到N-甲基二苄胺类化合物。催化过程高效、绿色,具有很高的应用价值。(3)电催化性能研究:采用小分子气体氢气作为形貌诱导试剂,控制合成PtRu合金花状纳米催化剂具有三维多支结构,表面积高,具有丰富的催化活性位点;合成的一维蠕虫状PtMo合金纳米线,蠕虫状结构提供丰富的催化活性位点,同时有利于防止催化剂的相互团聚。上述纳米材料都在电催化甲醇氧化中表现出非常好的活性和稳定性。同时,采用小分子气体氢气作为形貌诱导试剂,控制合成的PtIr三支状材料,具有粗糙的分支表面,由于同样能够提供较高的表面积和合金化等共同作用,该纳米材料在电催化氧气的还原中表现出非常好的活性和稳定性。另一方面,采用小分子气体氨气作为形貌诱导试剂,通过调控不同的卤素,可以控制合成得到多种新颖的Pt树枝状多孔纳米材料,该类纳米材料也在电催化氧气的还原中表现出非常好的活性和稳定性。