金属纳米晶催化材料因具有独特的物理化学性质,在催化、光学、生物医疗等方面都有广泛的应用,是目前纳米材料领域研究最为广泛的方向之一。近年来经过科研工作者的努力与积累,多种不同结构形貌的金属纳米材料被成功研发,它们在能源催化领域发挥了重要作用。鉴于金属纳米晶的电子结构是调控催化剂表面分子吸脱附能力的重要途径,深入研究催化材料的电子结构调控手段对高效高选择性催化剂的设计开发具有指导意义。目前,对于催化剂电子结构与性能之间的构效关系及其作用机理,仍然还有很多问题需要我们进一步的研究与探索。本论文以Pd、Cu和Au三种金属为主要研究对象,旨在探索具有特殊电子结构的金属纳米晶催化剂的设计、可控合成与催化性能研究。论文首先以CuPd合金为例,探究了合金纳米晶的晶体生长理论,并归纳总结出一套沉积和扩散共同控制的生长机制。这一晶体生长动力学方法,可以为多种催化反应提供催化剂合成的有效途径。以此为基础,我们通过合金化、构筑高指数晶面、引入表面缺陷等手段,调控了催化剂材料的表面电子结构,设计合成了具有优异催化性能的金属催化剂材料。本论文主要研究内容包括以下几方面:第一章综述了金属纳米晶的研究进展。结合实例,对金属纳米晶的化学合成方法进行了总结。概述了金属纳米晶在催化领域的应用,并且介绍了如何通过调控材料表面电子结构来实现催化性能的提升。第二章介绍了一种CuPd合金纳米晶的化学合成法。通过控制加入癸胺的量的不同,我们可以获得四面体、凹面四面体、四角棒等一系列不同形貌的CuPd合金纳米晶。机理研究表明,癸胺与金属离子之间的络合作用使铜离子与钯离子的还原能力拉近,实现两者的共还原。并且,动力学研究表明,合金纳米晶的生长方向取决于被还原的原子在晶种表面的沉积与扩散的相对速率。当沉积速率加快或扩散被抑制时,产物趋向于向四面体晶种的顶点处生长,最后长成四角棒结构;反之,当沉积速率减慢或扩散被促进时,四面体晶种的顶点、棱和面上都会同时生长,最后产物为四面体结构。第三章我们设计了一种具有高度分支结构的CuPd合金多角棒纳米晶。通过高分辨电镜的表征,我们发现CuPd合金多角棒纳米晶的枝杈表面裸露了部分{311}高指数晶面。由于合金效应与高指数晶面的共同作用下,CuPd多角棒纳米晶在环己烷氧化反应中表现出了不俗的催化活性与选择性。第四章中,我们提出,结合双金属的合金效应与尖端聚电子效应,可以实现金属纳米催化剂表面原子的电子结构重新排布。基于第二章的CuPd合金纳米晶生长动力学调控技术,设计并合成了一种应用于氧还原反应的CuPd催化剂,其电催化性能优于商用Pt催化剂。X射线光电子能谱和理论计算模拟共同揭示了 CuPd四角棒催化剂顶点处Pd原子的电子富集状态。这种氧还原反应催化剂性能与形貌之间的相互依赖关系,阐明了催化剂材料的电子结构调控的重要性,也为应用于氧还原反应的非Pt催化剂的设计与开发提供了新的思路。第五章中,我们通过在Ni(OH)2超薄片上生长带有晶界结构的Au二维片,以提升其光催化还原二氧化碳的催化性能。一方面,Au二维片对可见光的吸收,提高了催化剂对光的利用效率。另一方面,Au二维片表面的晶界缺陷会成为电子捕获中心,抑制了光生电子和空穴的再复合。此外,理论计算表明,晶界的存在打破了原本Au表面电荷的均匀分布,使晶界处电子密度升高,这将有利于二氧化碳的活化,稳定反应中间体的吸附。最后催化结果表明,这种新型的异质结催化剂对二氧化碳光还原反应的催化效率高达71.8 μmol·g-1·h-1。该项工作将缺陷调控机制引入光催化体系的催化剂研究中,加深了人们对于应用于光催化反应的复合材料催化剂设计的认识。