Nature Catal.丨10 nm 红外助力纳米尺度原位研究！

发布日期：2024-07-01

文章名称：Nanometre-resolved observation of electrochemical microenvironment formation at the nanoparticle–ligand interface

期刊：Nature Catalysis IF 40.7

DOI：https://doi.org/10.1038/s41929-024-01119-2

【引言】

无机纳米颗粒与有机配位体之间进行的封端反应在纳米医学、光电子领域以及催化领域具有重要的研究意义。在过去的研究中，配位体的引入主要是为了控制纳米颗粒的尺寸、形状和胶体的稳定性。最近，相关研究着重于如何在特定的条件下利用配位体实现指定功能。例如，在特定的光、电、磁和不同PH值的环境下，实现配位体在纳米颗粒上的重构、分解、交换和由于键结断裂所引起的分离。研究配位体从纳米颗粒上的分离机理对于控制纳米药物释放、提高纳米颗粒间的电荷输运效率和提高温室气体的转化效率都具有十分重要的意义。

近日，美国UC Berkeley的研究团队利用纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR，对特定微观电化学环境下的纳米颗粒/有序配位体中间层（NOLI）的形成过程进行了纳米尺度上的原位研究。作者将原位的Nano-FTIR和表面增强拉曼光谱SERS结合，并辅以第一性原理计算，研究了配位体在不同电化学环境下在银纳米颗粒上形成NOLI的微观动态过程。展示了偏压是诱导配位体在银纳米颗粒上形成NOLI的机理。相关研究内容以《Nanometre-resolved observation of electrochemical microenvironment formation at the nanoparticle–ligand interface》为题，在国际SCI期刊《Nature Catalysis》上发表。

值得注意的是，本文使用的纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR是由德国neaspec公司研发推出的。该设备是基于其创立的散射型近场光学技术发展出来的，具有10 nm超高空间分辨的新型傅里叶红外技术，使得纳米尺度下的化学鉴定和成像成为可能。这一技术综合了原子力显微镜的高空间分辨率和傅里叶红外光谱的高化学敏感度，实现对几乎所有材料的化学分辨和成分分析。它不受被检测样品厚度的制约，可广泛适用于有机物、无机物、半导体材料、二维范德华材料的纳米分辨红外光谱分析，并同时提供纳米空间分辨的红外吸收谱和反射谱。

纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR

纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR在全球同步辐射线站和自由电子激光线站的用户分布

【图文导读】

图1. 微环境在形成过程中，原位的分子级Nano-FTIR和SERS探测。a)纳米颗粒/有序配体中间层（NOLI）的最初和最终形态。b)用Nano-FTIR观测到的NOLI形成过程。

图2. 原位Nano-FTIR探测的实验设计和配体在银纳米颗粒上进行结合的过程。a）使用Neaspec设计的原位Nano-FTIR观测实验设计的概念图。银纳米颗粒在b）填充了电解质的石墨烯薄膜上和c）加载负电压情况下的TEM观测结果。d）在开路条件下，银纳米颗粒在填充电解质的基底上的Nano-FTIR结果。

图3. 具有纳米级空间分辨的从双配位基到单配位基的转变及动力学过程。a）在石墨烯薄膜上所有的银纳米颗粒的散射光振幅表征结果和b)TEM表征结果。c)到h)不同电压下的银纳米颗粒的Nano-FTIR图谱。i)在b图中黄色方块区域的纳米颗粒的Nano-FTIR随着电压的变化结果。j)从双配位基到单配位基的动力学过程。

图4.偏压诱导的由于催化中间层形成的二次键结断裂。a)原位拉曼测量的实验设计概念图。b)不同偏压情况下的银纳米颗粒的原位拉曼图谱。c)C-Hx区域在不同偏压下的拉曼图谱。d)不同电压条件下银纳米颗粒的线性扫描伏安法测量结果。e)通过第一性原理计算获得的理想的结构。

【结论】

综上所述，UC Berkeley的研究人员利用纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR对配位体在银纳米颗粒表面形成NOLI的动态过程进行了原位的观察。通过施加不同的偏压，成功地展示微环境对NOLI形成的影响。上述论文中Neaspec纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR出色地完成了研究中对于宽波段，高灵敏度拉曼测试的要求。同时，对于纳米级原位化学过程的观察，体现了Nano-FTIR多光路测试、高空间分辨率、高灵敏度拉曼测试等优势。