南開大學表界面化學分析Angew金屬氧化物納米粒子表面光催化氧化

2020-07-15 學研天地

研究背景

原位檢測催化劑表面活性位點和活性中間物種有助於深入理解催化反應機理，這是理性設計高性能催化劑的關鍵。在多種原位分析技術中，表面增強拉曼光譜（SERS）技術具有表面選擇性強、特異性高、靈敏度高、水幹擾低等優勢，在檢測表界面化學分析中表現出巨大的潛力。近年來，隨著等離激元金屬納米結構合成與組裝技術的飛速發展，SERS被廣泛應用於檢測金屬表面的催化反應。而金屬氧化物材料SERS活性不佳，因此使用SERS檢測其表面的化學反應鮮有報導。金屬氧化物納米顆粒由於其表面能較高，在傳統製備過程中很容易團聚且產物粒徑不均勻，很難有效地對其進行下一步定向組裝和功能化等。因此，使用SERS檢測金屬氧化物納米粒子表面催化反應的最主要挑戰是構建單分散且SERS活性高的複合納米結構。

南開大學表界面化學分析Angew金屬氧化物納米粒子表面光催化氧化


成果簡介

為了將表界面化學反應SERS檢測拓展到氧化物催化領域，最近，南開大學謝微研究員課題組通過組裝-焙燒策略，製備了一系列兼具SERS和催化活性的「核-衛星」雙功能納米結構。這種結構使SERS檢測金屬氧化物納米顆粒表面的化學反應成為可能。作者選取Au-CuO核-衛星納米結構增強基底作為代表，利用原位SERS在分子尺度上研究CuO納米粒子催化矽烷製備矽醇的光氧化反應。

矽醇類化合物是非常重要的化學品，在軍工、日用化工、藥物化學等領域有著廣泛應用。其傳統合成方法通常需要貴金屬或結構複雜的均相催化劑，其價格高昂和負載（或均相）催化劑易流失等因素增加了工業化生產矽醇的成本並對環境保護帶來壓力。因此，開發新型無載體、廉價易得並可重複利用的高效催化劑，對高附加值矽醇的化學轉化具有重要意義。作者的實驗和計算結果表明，CuO表面的氧空位是活化H2O2的真正催化活性位點，其催化產生的*OH是引發矽烷轉化為相應矽醇的活性物種。此外，作者以廉價的商業化CuO粉末作為催化劑，高收率、高選擇性地合成了多種矽醇化合物。本研究工作為原位SERS分析檢測技術在探究氧化物表面的催化反應機理方面提供了概念驗證，這種新策略可促進SERS檢測應用於金屬氧化物催化研究。

南開大學表界面化學分析Angew金屬氧化物納米粒子表面光催化氧化


相關結果發表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

文獻連結：

Synthesis of Au-Metal Oxide Core-Satellite Nanostructure for In Situ SERS Study of CuO-Catalyzed Photooxidation

Kaifu Zhang, Ling Yang, Yanfang Hu, Chenghao Fan, Yaran Zhao, Lu Bai, Yonglong Li, Faxing Shi, Jun Liu, Wei Xie

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007462

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