【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(qū)域具有局部表面等離子體共振（LSPR）效應(yīng)而展現(xiàn)出明顯提升的穩(wěn)定太陽能利用效率，已引起了相當(dāng)大的離體粒材料牛關(guān)注。近年來，銅基作為一種低成本且地球富含的核殼等離子體非貴金屬，銅（Cu）納米粒子由于其從可見光到近紅外的納米強而寬的吸收而受到越來越多的關(guān)注。然而，穩(wěn)定在實際研究和應(yīng)用中，離體粒材料牛由于Cu納米粒子具有較差的銅基穩(wěn)定性，極易氧化和浸出，核殼發(fā)展嚴(yán)重受限。納米事實上，穩(wěn)定Cu納米粒子具有高的離體粒材料牛表面能和低的標(biāo)準(zhǔn)還原電位，以至于在空氣中保持其金屬特性都極其困難。銅基因此，核殼尋求新的納米有效策略來提高Cu納米粒子的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

【研究進(jìn)展】

近日，加拿大國立科學(xué)研究院（INRS）馬冬玲教授團隊在Chem. Mater.上發(fā)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(xué)置換反應(yīng)的條件，制備了具有薄且完整外殼保護(hù)的超穩(wěn)定Cu-Au核殼納米粒子。與通?？梢砸肟谆蛑锌战Y(jié)構(gòu)的電化學(xué)置換法不同，該方法為合成覆蓋有薄且完全保護(hù)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(huán)境中，所制備的尺寸均一Cu-Au核殼納米粒子仍能表現(xiàn)出明顯增強的化學(xué)穩(wěn)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(xiàn)增強穩(wěn)定性方面起著關(guān)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(jié)果相關(guān)聯(lián)，本研究獲得了對等離子體光譜的更深入了解。通過瞬態(tài)吸收光譜分析，Cu-Au核殼納米粒子的等離激元動力學(xué)和傳熱系數(shù)并不因殼層的形成而受影響。為了驗證此結(jié)果，課題組將這些Cu-Au核殼納米粒子應(yīng)用于太陽能水蒸發(fā)測試，發(fā)現(xiàn)這些粒子展現(xiàn)出高的光熱效率和化學(xué)穩(wěn)定性。

【圖文簡介】

圖1Cu-Au核殼納米粒子的結(jié)構(gòu)表征及穩(wěn)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(jīng)HNO₃刻蝕前后的EDS圖譜；

(g) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子經(jīng)HNO₃刻蝕后的TEM圖；

(h) Cu_2.5Au₁核殼納米粒子經(jīng)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(tài)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(tài)吸收動力學(xué)曲線。

圖4 Cu-Au核殼納米粒子的太陽能水蒸發(fā)性能

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(a) 蒸發(fā)過程中不同樣品的表面溫度曲線；

(b) 蒸發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量損失曲線；

(c) 不同樣品的能量效率及蒸汽產(chǎn)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(wěn)定性。

【小結(jié)】

總之，本文以受控的方式合成了穩(wěn)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(xué)穩(wěn)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(fā)中具有更高的光熱轉(zhuǎn)化性能。這項工作為設(shè)計和合成具有許多潛在應(yīng)用的超穩(wěn)定Cu基納米材料提供了一種通用策略。

文獻(xiàn)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(xué)研究院在讀博士研究生。目前研究領(lǐng)域為等離子體納米材料的制備及其在太陽能轉(zhuǎn)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(xué)術(shù)期刊上發(fā)表10余篇學(xué)術(shù)論文。

導(dǎo)師簡介：

馬冬玲教授：加拿大首席科學(xué)家，加拿大國立科學(xué)研究院終身教授。領(lǐng)導(dǎo)團隊從事納米材料的合成，性能及其在能源，環(huán)境，光催化和生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)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(fā)表學(xué)術(shù)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/