廈門大學Nature子刊：殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜原位監測納米催化過程

【成果簡介】

近日，廈門大學的李劍鋒、陳秉輝、傅鋼教授課題組在多相催化原位拉曼光譜研究領域取得了重要進展，相關研究成果以“In-situ dynamic tracking of heterogeneous nanocatalytic processes by shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy” 為題于2017年5月24日發表在 Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1?納米催化過程的SHINERS衛星研究的示意圖

（a）SHINERS衛星方法顯示了SHIN-增強拉曼光譜（SHINERS）衛星結構的Au核二氧化硅殼納米催化劑 ，以及PtFe雙金屬納米催化劑上CO氧化機理

（b）PtFe上CO氧化的示意圖

（c）用于一對Pt-on-shell分離納米顆粒（SHIN）納米復合結構的3D-FDTD模擬

圖2?各種SHINERS衛星納米復合材料的結構

（a）PtFe-on-shell分離納米顆粒（SHIN）核殼衛星納米復合材料的TEM（插圖）和掃描電子顯微鏡圖像

（b）圖（a）插圖中單個粒子的元素圖

（c）各種納米催化劑用在SHIN結構的TEM圖像

【研究內容】

原位監測納米催化反應過程對深入認識反應機理、設計高效催化劑具有重要意義。作為一種具有超高靈敏度的表面分析技術，表面增強拉曼光譜（SERS）是可提供反應過程中催化劑表面吸附物種的豐富信息。然而，僅有Au、Ag、Cu等少數金屬在形成特定納米結構時才能提供較強的拉曼增強，且它們會對催化劑的性質及反應過程產生嚴重干擾。這就極大地限制了SERS在實際多相催化體系中的應用。鑒于此，該論文發展了一種利用殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜原位監測納米催化過程的方法（SHINERS衛星策略）。通過將納米催化劑組裝于殼層隔絕納米粒子（SHINs）表面，形成SHIENRS衛星結構，利用內核Au納米粒子增強催化劑表面的拉曼信號，SiO2殼層隔絕Au對催化劑及反應的影響，從而直接獲得了納米催化劑表面物種的真實信息。利用這種SHINERS衛星策略，他們實現了CO氧化反應的原位監測，直接觀測到了反應條件下催化劑表面吸附物種（例如表面氧化物、氧物種、Pt-C及Pd-C等，并結合DFT計算，對反應機理進行了闡述。該研究表明SHINERS衛星策略可作為原位跟蹤催化反應過程的有效方法，為納米催化的原位研究提供了一種新的思路。