金纳米粒子局域表面等离子体共振（LSPR）效应增强电催化性能

贵金属纳米粒子（金、银、铜等）具有强烈的光-物质相互作用特性。纳米结构材料与表面价电子集体震荡频率匹配的光子相互作用时会发生局域表面等离子体共振（LSPR）现象。此时，在纳米结构表面产生的强电磁场和高浓度的高能载流子（电子-空穴对）。利用贵金属纳米粒子的高能载流子进行能量转换和光化学催化近年来成为人们的研究热点。然而到目前为止，研究大多集中在等离子体介导的化学转变上，直接利用贵金属纳米粒子LSPR效应进行电化学转换增强的研究少有报道。

近日，南京大学的夏兴华教授（点击查看介绍）课题组在ACS Nano 发表论文，展示了金纳米粒子LSPR效应可直接用于提高电化学转换的速度和效率（图1）。研究人员以电催化氧化葡萄糖的反应为模型体系，系统研究了金纳米粒子在LSPR激发下的电催化性能变化。实验探究了葡萄糖的电催化活性与光照强度、光照波长的相关性，揭示了金纳米颗粒在LSPR激发下产生的热电子-空穴是引起电催化活性增强的本质原因。实验结合单颗粒暗场显微镜光谱-电化学联用技术（图2），提出了LSPR直接加速电化学反应（Direct plasmonic accelerated electrochemistry reaction，PAER）的机理（图3）。在此基础上，研究人员还进一步考察了金纳米颗粒的尺寸和溶液pH值对PAER的影响，提出了碱性条件下存在自由基参与PAER的新观点（图4）。最后，在该工作提出的PAER增强机理的基础上，研究人员构建了基于金纳米粒子LSPR增强效应的葡萄糖无酶传感器，其检测灵敏度较传统的无酶传感有显著提高。该工作揭示了基于贵金属纳米粒子LSPR效应增强的电化学反应机理，为设计新的电化学能源转化装置和使用局域表面等离子体共振效应构建电分析器件提供了一种崭新的思路。

图1. （a） 葡萄糖电催化氧化CV图的正向扫描曲线。红色：光照，黑色：无光照；（b） 葡萄糖电催化反应在光照开与关时的I-t曲线。黑色：葡萄糖；红色：PBS；（c）光强对葡萄糖电催化氧化电流增强的影响；（d）光照对不同电化学探针分子电催化氧化增强的影响。

图2. 单颗粒暗场显微镜-电化学联用技术研究PAER反应的机理。

图3.（a）LSPR激发产生的热载流子可能的转移通道；（b）实验采用的电化学装置示意图

图4. （a）不同粒径金纳米粒子修饰电极上葡萄糖电催化氧化的CV图；（b）LSPR效应产生电流密度增强的ΔJ与纳米粒子尺寸的关系图，插图为不同尺寸纳米粒子电催化氧化葡萄糖的电流密度J；（c） 15 nm的金纳米粒子修饰电极在不同pH值下电催化氧化葡萄糖增强的电流图，插图为提出的自由基参与机理；（d）自由基捕获荧光光谱图

该研究成果发表于美国化学会期刊ACS Nano 上，王琛博士为论文的第一作者，夏兴华教授为论文的通讯作者。该项目得到国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的支持，该课题组长期招聘材料化学、光电催化等研究方向的博士后。

该论文作者为：Chen Wang, Xing-Guo Nie, Yi Shi, Yue Zhou, Jing-Juan Xu, Xing-Hua Xia, Hong-Yuan Chen

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Direct Plasmon-Accelerated Electrochemical Reaction on Gold Nanoparticles

ACS Nano, 2017, 11, 5897, DOI: 10.1021/acsnano.7b01637

导师介绍

夏兴华

http://www.x-mol.com/university/faculty/11579

课题组链接

http://hysz.nju.edu.cn/xhxia//index.html