纳米科学和技术的发展依赖于空间尺度在纳米水平上功能化的纳米粒子的制备和纳米器件的研制。纳米科学最基本的目标是制备组成、形状和尺寸可控的纳米粒子,这些同时也决定着其物理和化学性质。溶液生长法是制备纳米粒子的常用方法,这种方法制备的纳米粒子的结构是复杂和多样的,制备这些结构和功能复杂多样的纳米粒子已成为纳米科学发展的方向。　　 谱学电化学是一种可以在电化学界面上从分子水平上研究机理的光谱学方法。拉曼光谱可用来研究电极界面上吸附的物种而不会明显受到水溶液影响的振动光谱。但是拉曼过程有其自身的不足:检测灵敏度非常低。70年代中期发现的表面增强拉曼光谱(SERS)克服了以上弱点,它有更高的检测灵敏度,但是将它发展成一种强大的检测技术却是一个非常曲折的过程。SERS需要纳米级粗糙的基底,最近,由于基底、表面和分子普适性等条件的缺乏限制了其发展。随着纳米科学的发展,SERS已经被人们广泛应用,特别是“借力”的拉曼光谱被发现之后。由于金核电磁场的长程增强作用可极大的增强SERS活性,“借力”的拉曼光谱可将原来具有较低SERS活性的过渡金属极大地增强,其表面增强因子甚至可以达到104-105。这为人们研究过渡金属上的SERS提供了基础。另外,制备有序纳米自组装阵列也可以提高SERS活性,但目前组装这种有序的结构还是一个亟待解决的问题。　　 以金银为核过渡金属为壳的双金属和三金属纳米粒子不仅具较强的SERS活性,而且具备较高的催化选择性和催化活性。目前,电化学催化剂的低活性和昂贵的材料价格极大的限制了其发展,但因其组成的多样性,三金属纳米粒子具有更多可调控的因素,并且比双金属纳米粒子具有更强的选择性和催化活性。因此对此类纳米粒子的研究,可帮助人们设计出更多的新材料,这不仅可以获得更强的催化活性,而且为机理的研究提供便利条件。　　 基于以上内容,我们为甲酸电催化设计了金核钯壳铂岛三金属纳米粒子,为Suzuki偶联反应设计了金核钯壳结构的纳米粒子,它们不仅大大提高了反应的催化活性,而且也提高了SERS活性,为我们用电化学和表面增强拉曼光谱的方法研究其催化机理提供了前提,本论文的主要研究结果如下:　　 1.用溶液种子生长法合成了粒径为16-160 nm的单分散的金纳米粒子,并用扫描电镜、透射电镜和紫外吸收光谱对其表征。这种纳米粒子可以在玻碳和金基底上组装成均匀的面积大于1 mm2的纳米薄层。其中,110-130nm左右的金纳米粒子制备的纳米薄层在632.8 nm的激发光下具有最强的SERS活性。用吡啶作为探针分子,平均增强因子可以达到107。三维时域差分理论的计算同时被用来解释SERS活性中的尺寸效应。这些优化的金纳米粒子被进一步增强钯壳的SERS活性。超薄层钯壳的增强因子可以达到5×104,使原来具有较低SERS活性的钯壳大大的增强。　　 2.用对巯基苯胺和硫氰根作为探针分子来检测钯包金纳米粒子界面的电子结构。发现硫氰根中的C-N键比对巯基苯胺中的C-S键对电子结构会更加敏感,且氮端吸附的硫氰根比硫端吸附的硫氰根中的C-N键对电子结构的变化更加敏感。随着钯层厚度的增加,硫端吸附的硫氰根中的C-N键从2141 cm-1变化到2147 cm-1,而氮端吸附的硫氰根中的C-N键则是从2093 cm-1变化到2103 cm-1,这比硫端吸附的C-N键的变化要大4 cm-1。这种电子结构的改变可以用来为电化学反应设计新的催化剂。　　 3.精心设计、合成并优化了一种具有金核-钯壳-铂岛的三金属纳米粒子。尽管钯壳和铂岛量非常小,但该三金属纳米粒子却对甲酸表现出极强的电催化氧化活性。优化的纳米粒子结构仅2层钯及不满单层的铂(铂的覆盖度约为0.5),但增加铂或钯的量还会降低其催化活性,表明这三种不同的结构组成即球、壳与岛三者之间存在着一种协同作用。结合电化学、SERS及密度泛函理论对甲酸和一氧化碳氧化及吸附机理的研究揭示了该三金属纳米粒子结构具有非常特殊的电子和形态结构性质。这种不同寻常的化学催化活性将使该三金属纳米粒子成为纳米催化剂中重要的一员。目前,该结果已经被应用于甲酸直接燃料电池催化剂的设计,并得到了较高的催化活性。　　 4.用钯包金纳米粒子作为Suzuki-Miyaura交叉偶联反应催化剂,系统地研究了钯层厚度对Suzuki反应催化活性的影响。发现金核为16 nm钯壳层厚度约为2-5层的钯包金纳米粒子对Suzuki反应有较高的催化活性。SERS和电化学的方法被用来研究Suzuki反应中钯的离去机理,结果表明反应后钯将会从钯包金纳米粒子上离去。结合电感耦合等离子体质谱的结果,发现钯纳米粒子并非该C-C偶合反应的真实催化剂。该催化反应是在离去的Pd(0)或者Pd(Ⅱ)的催化作用下完成。　　 5.循环伏安和原子力显微镜被用来研究组装在树枝状大分子上金纳米粒子与基底金或铂电极之间的电化学作用。结合这些技术,证明了树枝状大分子的吸附和树枝状大分子的结构及电极材料的性质有关。有趣的是这些大分子的自组装层并非绝缘的,它们也是具有电化学“穿透性”的。因此组装的金纳米粒子上吸附的6-二茂铁己硫醇会与基底有电化学作用。这为以后用树枝状大分子作为模板组装二维有序金纳米粒子单层的电化学研究提供了前提。