Chem. Mater. 超穩定的等離子體銅基核殼納米粒子

【引言】

等離子體金屬（例如貴金屬金（Au）和銀（Ag））納米粒子由于其在可見光區域具有局部表面等離子體共振（LSPR）效應而展現出明顯提升的太陽能利用效率，已引起了相當大的關注。近年來，作為一種低成本且地球富含的等離子體非貴金屬，銅（Cu）納米粒子由于其從可見光到近紅外的強而寬的吸收而受到越來越多的關注。然而，在實際研究和應用中，由于Cu納米粒子具有較差的穩定性，極易氧化和浸出，發展嚴重受限。事實上，Cu納米粒子具有高的表面能和低的標準還原電位，以至于在空氣中保持其金屬特性都極其困難。因此，尋求新的有效策略來提高Cu納米粒子的穩定性至關重要。

【研究進展】

近日，加拿大國立科學研究院（INRS）馬冬玲教授團隊在Chem. Mater.上發表了一篇題目為“Ultrastable Plasmonic Cu-Based Core-Shell Nanoparticles”的封面文章。該研究通過精確控制電化學置換反應的條件，制備了具有薄且完整外殼保護的超穩定Cu-Au核殼納米粒子。與通常可以引入孔或中空結構的電化學置換法不同，該方法為合成覆蓋有薄且完全保護殼的銅基核殼納米粒子提供了極為有效和通用的策略。即使在存在強氧化性酸（HNO₃）的惡劣環境中，所制備的尺寸均一Cu-Au核殼納米粒子仍能表現出明顯增強的化學穩定性。通過深入的表征和分析能夠確定與形成的AuCu合金層相比，最外部的Au層在實現增強穩定性方面起著關鍵作用。此外，通過將不同核殼尺寸納米粒子的理論計算與實驗結果相關聯，本研究獲得了對等離子體光譜的更深入了解。通過瞬態吸收光譜分析，Cu-Au核殼納米粒子的等離激元動力學和傳熱系數并不因殼層的形成而受影響。為了驗證此結果，課題組將這些Cu-Au核殼納米粒子應用于太陽能水蒸發測試，發現這些粒子展現出高的光熱效率和化學穩定性。

【圖文簡介】

圖1 Cu-Au核殼納米粒子的結構表征及穩定性測試

(a) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子的TEM圖；

(b) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子的高分辨率TEM圖；

(c) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子的XRD圖譜；

(d) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子的HAADF-STEM圖；

(e) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子的EDS元素分布圖；

(f) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子經HNO₃刻蝕前后的EDS圖譜；

(g) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子經HNO₃刻蝕后的TEM圖；

(h) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子經HNO₃刻蝕后的EDS元素分布圖；

(i) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子在不同時間間隔下加熱氧化處理的UV-Vis光譜。

圖2 Cu-Au核殼納米粒子的制備過程示意圖

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圖3 Cu-Au核殼納米粒子的光譜表征及理論計算

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(a) Cu和不同投料比所形成的Cu-Au核殼納米粒子的UV-Vis吸收光譜；

(b) Cu和不同投料比所形成的Cu-Au核殼納米粒子的理論吸收光譜；

(c) Cu和不同投料比所形成的Cu-Au核殼納米粒子的瞬態吸收光譜；

(d) Cu和不同投料比所形成的Cu-Au核殼納米粒子的瞬態吸收動力學曲線。

圖4 Cu-Au核殼納米粒子的太陽能水蒸發性能

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(a) 蒸發過程中不同樣品的表面溫度曲線；

(b) 蒸發系統的質量損失曲線；

(c) 不同樣品的能量效率及蒸汽產生速率；

(d) Cu和Cu_2.5Au₁核殼納米粒子在飽和二氧化碳水溶液中的穩定性。

【小結】

總之，本文以受控的方式合成了穩定且耐HNO₃的等離激子體Cu基納米粒子。其中，所形成的完整Au外殼對于顯著增強Cu基納米粒子的化學穩定性起著決定性作用。另外，與純Au納米粒子相比，等離子體Cu-Au核殼納米粒子不僅具有成本效益，而且由于其寬的光吸收，在太陽能水蒸發中具有更高的光熱轉化性能。這項工作為設計和合成具有許多潛在應用的超穩定Cu基納米材料提供了一種通用策略。

文獻鏈接：Ultrastable Plasmonic Cu-Based Core–Shell Nanoparticles https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c04059?2021, Chem. Mater. DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c04059.

一作簡介

王勇：加拿大國立科學研究院在讀博士研究生。目前研究領域為等離子體納米材料的制備及其在太陽能轉化及光催化方面的研究。在Chem. Mater.， J. Mater. Chem. A， ACS Appl. Mater. Interfaces， Nanoscale， Nat. Commun.， Catal. Sci. Technol.， Int. J. Hydrogen Energy等國際學術期刊上發表10余篇學術論文。

導師簡介：

馬冬玲教授：加拿大首席科學家，加拿大國立科學研究院終身教授。領導團隊從事納米材料的合成，性能及其在能源，環境，光催化和生物醫學方面應用的研究，在國際著名期刊J. Am. Chem. Soc.， ACS Nano， Nat. Commun.， Energy Environ. Sci.， Chem. Soc. Rev.， Adv. Mater.， Adv. Funct. Mater.等發表學術論文150余篇。馬冬玲教授是ACS Energy Lett.， ACS Appl. Nano Mater.， Sci. Rep.等雜志的（顧問）編委。

研究小組主頁：https://inrs.ca/en/research/professors/dongling-ma/