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        銅納米顆粒/石墨烯核殼結(jié)構(gòu)材料催化研究獲進(jìn)展


        來源:合肥物質(zhì)科學(xué)研究院

        [導(dǎo)讀]  中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員李越課題組和北京理工大學(xué)教授曲良體課題組合作,在核殼結(jié)構(gòu)的納米材料研究方面取得新進(jìn)展,研制出構(gòu)筑尺寸均一的石墨烯包覆銅納米顆粒核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,其催化效率大幅提高,是金納米顆粒的14倍。

        中國粉體網(wǎng)訊  近期,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員李越課題組和北京理工大學(xué)教授曲良體課題組合作,在核殼結(jié)構(gòu)的納米材料研究方面取得新進(jìn)展,研制出構(gòu)筑尺寸均一的石墨烯包覆銅納米顆粒核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,其催化效率大幅提高,是金納米顆粒的14倍。相關(guān)研究成果以Copper nanoparticle@graphene composite arrays and their enhanced catalytic performance 為題,在Acta Materialia(2016, 105, 59-67)上發(fā)表。

          相比于單組份材料,由于核與殼的相互耦合,核殼結(jié)構(gòu)的納米材料(如以金屬顆粒為核,無機(jī)或有機(jī)材料為殼)的部分性能會(huì)大幅度提高。以貴金屬(鉑、金、銀等)納米顆粒為核的核殼材料,被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電化學(xué)及催化等領(lǐng)域。然而,貴金屬資源非常有限,且價(jià)格昂貴,在一定程度上制約了這類材料的大規(guī)模推廣應(yīng)用。而銅資源豐富、價(jià)格低廉,在某些方面具有和貴金屬類似的性能,如較強(qiáng)的局域表面等離子共振,良好的電化學(xué)性能和催化性能等,因此銅納米顆粒被視為貴金屬納米顆粒理想的替代者。但是,目前合成銅納米顆粒的方法有一定局限性,例如銅納米顆粒尺寸的均勻性差,易團(tuán)聚,不宜長時(shí)間保存,容易被氧化。這些問題導(dǎo)致銅納米顆粒在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。

          針對(duì)上述問題,研究團(tuán)隊(duì)采用單層的膠體晶體為模板,通過磁控濺射沉積一層一定厚度的銅膜,在還原性和保護(hù)性氣氛下高溫退火,成功得到平方厘米級(jí)、顆粒尺寸均一的銅納米顆粒有序陣列。利用銅納米顆粒的還原性和氧化石墨烯的氧化性,采用一步法在銅納米顆粒表面制備2-3 nm厚度的石墨烯層。上述材料在對(duì)4-硝基苯酚到4-氨基苯酚的還原過程中,表現(xiàn)出高的催化性能和穩(wěn)定性,該材料在催化過程中還可被重復(fù)利用。更重要的是,這種石墨烯包覆銅納米顆粒核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的催化效率比貴金屬納米顆粒提高很多,是現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的金納米顆粒催化效率的14倍。上述優(yōu)異的催化性能主要是由于石墨烯具有豐富的π-π 鍵能與4-硝基苯酚發(fā)生共軛,有利于捕捉4-硝基苯酚分子;同時(shí),石墨烯具有高的電子遷移率,利于加速反應(yīng)的進(jìn)程。石墨烯殼層還可以保護(hù)銅納米顆粒不被氧化,保持了高的穩(wěn)定性。

          上述研究得到了“973”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和中科院科技創(chuàng)新“交叉與合作團(tuán)隊(duì)”等項(xiàng)目的資助。


        圖(a)與圖(b)分別是銅納米顆粒陣列和石墨烯包覆銅納米顆粒陣列的SEM照片;圖(c)與圖(d)分別是銅納米顆粒陣列和石墨烯包覆銅納米顆粒陣列的TEM 照片;圖(e)從下至上的曲線分別為銅納米顆粒陣列、氧化石墨烯以及石墨烯包覆銅納米顆粒陣列的拉曼圖;圖(f)為石墨烯包覆的銅納米顆粒為催化劑,4-硝基苯酚還原成4-氨基苯酚的過程。
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