小尺寸(0.5~3纳米)金属纳米簇具有明显的量子尺寸效应,即其导带与价带间的能隙随尺寸减小而增大。随着尺寸减小,金属纳米簇表面原子配位不饱和度增加,表现出更高的化学活性。小尺寸金属纳米簇的电子性质也更易受到载体或配体修饰作用的影响。
由于表面能很大,金属纳米簇倾向于发生聚集或融合以减小比表面积。因此在制备或使用中,往往需要加入稳定剂使金属纳米簇稳定化。金属纳米簇稳定化方法包括使其表面与高分子保护剂(如聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸)、表面活性剂或强有机配体(如三苯基膦、硫醇)作用,形成保护型金属纳米簇;使金属纳米簇负载于载体表面或孔壁上,形成担载型金属纳米簇;使金属纳米簇表面吸附溶剂分子(如乙二醇)和简单离子(如氢氧根、醋酸根、羟基乙酸根)实现稳定化,形成溶剂和简单离子稳定的金属纳米簇(即所谓“非保护型”金属纳米簇)。
利用配体在不同金属纳米簇晶面上吸附能力的差异,可以调控金属纳米簇的优势生长晶面,进而调控金属纳米簇的形貌或外露晶面的比例,这是调控金属纳米簇性能的重要途径之一。进入21世纪后,双金属及多金属纳米簇受到了越来越多的关注,利用不同金属原子之间的电子相互作用以及不同原子堆积产生的结构效应,可以调控金属纳米簇的电子结构及催化性能。
金属纳米簇已成为构筑催化剂、传感器、高密度磁记录器件、单电子器件等功能体系的重要基元材料,在能源、资源开发利用、环境保护、精细化工以及国防安全等领域具有重要应用价值。