上海应用物理所在单颗粒纳米催化方面研究取得进展

纳米颗粒的催化反应过程中伴随了催化剂界面上的底物吸附、电荷转移、底物产物相互转换、产物脱附等。在单颗粒水平研究其催化反应过程，有助于深入理解催化机制并设计出新型的高效催化剂。近期，上海应用物理所的研究人员利用纳米光子学成像技术，发展了一种可实时监控单个金纳米颗粒催化过程的方法。相关结果发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137,4292）。

金纳米颗粒具有显著的纳米光子学特性及优越的催化性质。其表面等离子体共振（LSPR）的光学性质与其表面状态密切相关，因而适合监控其表面发生的催化反应。上海应用物理所物理生物学研究室的研究人员搭建了一台可采集单个纳米颗粒的LSPR散射光谱的暗场显微镜。在前期工作中，发现金纳米颗粒的表面状态对其催化性质有重要影响(Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11994-11998)。然而，暗场显微镜受其成像CCD分辨率的限制，仅能观测到尺寸大于50 nm的金纳米颗粒，而无法观测具有催化性能的小粒径金纳米颗粒。

为解决这一两难问题，博士研究生李昆在李迪、樊春海研究员的指导下，利用DNA分子将50 nm和13 nm的金纳米颗粒有序组装成一种纳米光晕（nanohalo）结构，兼具了两种不同尺寸颗粒的纳米光子学和催化性质。研究表明，这种nanohalo的催化活性，完全来自小的金纳米颗粒。两种颗粒的间隙间具有很强的局域电磁场增强，因而发生在小金纳米颗粒表面的催化反应，会显著影响纳米晕环的LSPR性质。利用单颗粒暗场显微镜，即可以实时、间接地监控小纳米金颗粒表面发生的催化过程，并获得了催化过程中底物在催化剂表面的吸附量、催化过程中的电荷转移数以及催化剂中毒过程的定量信息。这一纳米光子学技术为研究纳米催化过程提供新的工具。

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b00324