《Nat. Commun.》:雙金屬納米材料

一、研究背景

由等離子體和催化成分(如金和鈀)組成的雙金屬納米粒子是有前景的材料,可用於各種應用,包括光催化。然而,這兩種成分之間的相互作用是復雜的,可能導致它們之間的界面產生新的特性。已經報道瞭雙金屬納米粒子的不同形態設計,界面結構的選擇決定瞭異質金屬顆粒的特性。

二、研究成果

一項新的研究揭示瞭納米材料中的雙金屬界面對使用單粒子測溫產生熱的影響。從納米粒子集合體到單粒子是發展材料性能和納米尺度工藝的一致知識的關鍵,但也涉及需要仔細考慮的假設和定義。相關研究工作以“Thermometry on individual nanoparticles highlights the impact of bimetallic interfaces”為題發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。祝賀!

三、圖文速遞

圖1. 雙金屬納米顆粒的一般設計

一、催化和等離子體效應是沖突還是共生?

將具有不同功能的材料混合在一起,並不一定能產生它們各自部分的簡單總和。為瞭創造出在多個方面都很出色的納米平臺,常常追求混合設計,其中包含兩種成分,每種成分都針對特定的功能進行瞭優化。在這樣做的過程中,努力實現共生的互動。然而,由於材料之間相互作用產生的新現象的出現,預測由此產生的特性可能是一個挑戰。這在同時含有等離子體和催化成分的雙金屬納米粒子中尤其重要,這些粒子經常被提議作為增強的光催化平臺。用於光催化的納米材料正引起人們的極大關註,因為它們提供瞭在遙遠的地方引發反應的可能性,此外還具有大單位質量的活性表面積,這是納米范圍內結構的典型特征。這已被證明是有效的,例如,在抗菌表面或生物醫學領域,這種納米材料在照射後可以引發病理效應。

催化材料的微觀特征,如晶格間距和缺陷,與它們的電子和物理化學特性有著內在的聯系。將這些材料與不同的材料緊密接觸生長,會引起晶格應變和晶格參數的差異,並不可避免地影響其催化性能。另一方面,等離子體材料因其(局部)表面等離子體共振的大消光截面而受到重視,使其成為光收集的優秀候選材料。對於催化材料和等離子體材料來說,表面積極影響其性能,強調瞭雙金屬納米材料中界面設計的重要性。兩種材料之間的聯系在確定混合粒子的特性方面起著關鍵作用。

將等離子體和催化金屬結合起來進行光催化具有很大的前景。然而,由於涉及各種物理效應,具體結果取決於粒子設計的復雜細節。由於化學反應發生在納米粒子表面,而反應速率在很大程度上取決於溫度,所以等離子體納米粒子將相當一部分的光轉化為熱的能力特別重要。以前在膠體懸浮液上的實驗表明,八角形的金/鈀納米晶體,一種對加熱特別有效的形態,可以將從光中獲得的能量的40%到60%轉化為熱。然而,這些都是對色散中的粒子系綜的宏觀測量,沒有取向和成分的控制,這使得可以得出關於系綜平均的納米效應的結論。然而,要瞭解發生反應的納米級現象和表面溫度,就必須采用替代技術,在單粒子水平直接測量相關參數。

二、納米級測溫

Gargiulo等人成功地應用瞭基於高光譜測量的納米級測溫方法來應對這一挑戰。他們比較瞭兩種不同的雙金屬結構,核殼和核衛星,並檢查瞭它們的單粒子熱特性。他們的結果強調瞭利用等離子體的局部加熱能力來改善光催化的潛力,補充瞭光捕獲和其他電磁相互作用。盡管如此,從實驗的角度來看,單粒子熱特性提出瞭實驗上的考慮,需要仔細分析。

納米尺度的熱控制和監測代表瞭一個快速發展的領域,但它的進展並不遵循一個簡單的路徑。早期的納米級熱測量,重點是確定人體細胞內的溫度和區分具有不同代謝活動的區域,引發瞭關於理論和實驗方法之間差異的討論。這些討論是至關重要的,因為它們強調瞭在缺乏獲得相同信息的替代手段的情況下對準確的實驗技術的需求。鑒於其統計學性質,熱力學概念在納米尺度和縮小尺寸中的適用性也受到瞭質疑。隨著納米測溫技術的運行並提供有價值的信息,重點已轉移到標準化協議和定義適當的參數,以表征新材料,包括作為熱傳感器和加熱器。

三、光熱發電的效率參數

光熱劑的宏觀測量通常指的是加熱效率,代表瞭納米粒子吸收的總能量中轉化為熱能的百分比。這種相對測量允許在不同實驗室和實驗裝置的樣品之間進行比較,因為它與照明劑量、熱耗散特性和膠體分散體中的加熱器濃度無關。如果使用達到的溫度作為光熱活動的描述性參數,則不可能進行比較,因為該最終溫度強烈地取決於許多實驗變量。然而,加熱效率並不是一個完美的參數,因為它不能深入瞭解一個納米粒子如何有效地從光中提取能量。借用光伏的概念,加熱效率可以被認為是內部效率,而外部效率也將考慮到不與納米粒子相互作用的可用能量。此外,對於某些應用來說,定義效率參數可能是有用的,它說明瞭實現目標所需的材料質量,例如摩爾比。

隨著對單粒子水平的調查的出現,現在是時候將爭論延伸到這個領域瞭。Gargiulo和他的同事使用一個替代參數,即光熱系數,來量化納米粒子的光熱能力;仔細考慮所有需要的近似值,以得出一個可靠的結果。這個系數將激發的輻照度與達到的溫度相關聯,這既直觀又實用,而且避免瞭對輻照度的依賴。雖然由於它對粒子濃度的依賴性,它可能不是宏觀測量的最佳選擇,但這種限制並不影響單粒子的測量。這隻剩下熱耗散作為可能的實驗混淆因素,可能限制未來與其他材料的比較。對於宏觀測量來說,這將是一個主要的不利因素,因為諸如比色皿的材料或與之接觸的溶液的確切表面積等細節都很重要。相比之下,隻有局部環境在單粒子測量中起作用,在這種情況下,它主要由水組成。作者證明,溫度升高的距離短於100 nm,這表明超出這個范圍的散熱特性可能不需要考慮。然後,同樣地,測量是單顆粒的事實簡化瞭在尋找描述系統的固體參數時的情況。因此,隻要粒子被適當地分開,測量的單粒子性質就簡化瞭系統的描述,而光熱系數可作為定義單粒子光熱特性的一個可靠參數。盡管如此,光熱系數對納米粒子群和集體光熱效應不起作用。隨著新的實驗方法的發展,替代的效率參數可能會出現,針對特定的應用,或規范化以強調特定的方面,但這裡提供的單粒子測溫的描述將保持有效和完整。

四、文章官網鏈接

鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-38983-8

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