具有多變化合價(jià)態(tài)的銅（Cu）是一種重要的催化劑材料，在熱催化和電催化等方面都具有非常廣泛的應(yīng)用前景。眾所周知，催化劑材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)過程具有巨大的影響。降低金屬納米材料的尺寸，獲得更大的比表面積，有可能提高其催化活性。當(dāng)金屬納米顆粒尺寸降到3 nm以下時(shí)，被稱為金屬納米團(tuán)簇。金屬納米團(tuán)簇展現(xiàn)出既不同于單原子，也異于納米材料的獨(dú)特物理和化學(xué)性質(zhì)，例如半導(dǎo)體特性，高效率熒光發(fā)射等。目前報(bào)道的金屬納米團(tuán)簇大部分都是具有表面配體保護(hù)的結(jié)構(gòu)。

廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院潘書生教授，與香港理工大學(xué)和中國科學(xué)院固體物理研究所等研究人員合作，提出一種表面等離激元誘導(dǎo)逆置換反應(yīng)（Plasmon-engineered Anti-Replacement Reaction）的方法，生長出無配體保護(hù)、“純凈”Cu納米團(tuán)簇。采用脈沖激光輻照Au納米顆粒與CuCl2混合溶液，在表面等離激元光激發(fā)下，Au納米顆粒產(chǎn)生能量高于費(fèi)米能級(jí)的“熱電子”，部分能量大于Cu2+/Cu還原電位“熱電子”，將Cu2+離子還原成Cu納米團(tuán)簇。由于絕大部分熱電子局域分布在金顆粒表面1~10nm附近，僅有這些局域空間的Cu2+離子能夠接收到“熱電子”并被還原，最終形成尺寸為2 nm的Cu納米團(tuán)簇。整個(gè)反應(yīng)過程不需要有機(jī)配體參與。過?！盁犭娮印庇行У乇苊饬薈u納米團(tuán)簇之間相互聚集。在350 nm紫外光激發(fā)下，Cu納米團(tuán)簇發(fā)出450 nm波長藍(lán)色熒光，表現(xiàn)出典型的金屬團(tuán)簇特性，有望在熒光標(biāo)記等方面獲得應(yīng)用。

進(jìn)一步的氧還原反應(yīng)（ORR）實(shí)驗(yàn)研究表明，電壓為0.9伏時(shí)，單位質(zhì)量Cu納米團(tuán)簇催化劑的還原電流為0.73 A/g，顯著高于目前表面配體保護(hù)Cu納米團(tuán)簇的電催化劑，優(yōu)于目前商用的鉑（Pt）催化劑（0.17 A/g）。貴金屬Pt是最好的ORR催化劑，然而其高昂的成本制約了燃料電池技術(shù)發(fā)展和商業(yè)化進(jìn)程。該研究結(jié)果表明，純凈Cu納米團(tuán)簇在燃料電池中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“Plasmon-engineered anti-replacement synthesis of naked Cu nanoclusters with ultrahigh electrocatalytic activity”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A，并申請(qǐng)國家發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)?01810389351.4）。

該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，廣州大學(xué)“百人計(jì)劃”啟動(dòng)項(xiàng)目，“香江學(xué)者”計(jì)劃，深圳市科技計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)支持。

來源：科學(xué)網(wǎng)