AMR Account｜佐治亚理工学院夏幼南教授团队：铜纳米晶的形貌可控合成及其光学、生物与电催化应用
AMR Account｜佐治亚理工学院夏幼南教授团队：铜纳米晶的形貌可控合成及其光学、生物与电催化应用
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近日，美国佐治亚理工学院夏幼南教授团队在AMR发表封面文章“Shape-Controlled Synthesis of Copper Nanocrystals for Plasmonic, Biomedical, and Electrocatalytic Applications”。文章介绍了液相合成铜纳米晶及其控制形貌、结构、和组分的多种方法，并讨论了铜纳米晶的等离激元性能以及在生物医学和电催化中的应用。
关键词：铜纳米晶；形貌可控合成；等离激元性能；生物医学应用；电催化
Considering the low reduction potential of Cu and its vulnerability to oxidation by O 2 , it is hard to reduce a Cu(II) or Cu(I) precursor, not mentioning the difficulty in tailoring the shape taken by the resultant nanocrystals. In this work, we introduce various methods developed by our group for shape-controlled synthesis of Cu nanocrystals, most of which involve the use of an aqueous medium, together with glucose as a reducing agent and hexadecylamine as a capping agent.
When prepared as nanostructures, Cu is known to exhibit localized surface plasmon resonance (LSPR) in the visible and near-infrared regions. Recently, Cu-based nanostructures also attracted ever-growing interest owing to their remarkable selectivity toward hydrocarbons and multi-carbon (C 2+ ) species during the electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR).
01
文章内容简介
因其优异的导电、导热、等离激元和催化性能，铜及其纳米颗粒被广泛应用于电子器件、催化和生物医药等领域。与贵金属（如Au和Pt）相比，铜更为低廉的价格使其成为贵金属的有力替代品，发掘铜纳米材料的应用并进一步优化其性能也更为关键。对铜纳米材料而言，形貌控制是调节其各项性能的有效方法。然而铜的低还原电位（Cu 2+ /Cu：0.34 V，Cu + /Cu：0.52 V）使得还原铜离子通常需要惰性气体保护，以防止制备的纳米颗粒被环境中的氧气刻蚀。相对困难的还原条件与有效控制不同晶面生长速度的封端剂的缺乏导致铜纳米晶形貌调控相关的研究寥寥。本篇述评归纳总结了本课题组液相合成铜纳米晶及控制其形貌的方法，包括一步法合成纯铜纳米晶、晶种生长法合成核−壳结构与Janus（两面型）结构、共还原和电化学置换法制备铜合金纳米晶。以葡萄糖为还原剂、十六胺为配体和封端剂，我们可以在相对温和的条件下（80−120 ℃）合成形貌可控均一、多为{100}面包裹的铜纳米晶。
此外，本篇述评还介绍了所得到的铜纳米晶在生物医学和电催化中的应用。通过调控尺寸、形貌与化学组分，铜纳米晶的等离激元共振（LSPR）吸收峰可以被有效控制在可见光与近红外区域，使其在光学成像与光热治疗中有应用前景。此外，对表面晶面、孪晶结构、元素组成和氧化态的调控，也使得铜纳米晶在电催化还原CO 2 反应中的催化活性与稳定性得到进一步提升。我们希望这篇述评总结的合成方法与应用能够帮助和启发更多铜纳米晶的相关研究，包括且不限于合成更为多样与复杂的结构与形貌、优化铜纳米晶的性能以及探索铜纳米晶更广泛的应用。
02
AMR ：您觉得这个领域可能会
出现哪些 研究 机会？
作者团队：
考虑到表面结构对性能的重要性，表面结构与形貌更为复杂的铜纳米晶或可呈现与众不同的性能，如高指数晶面、表面缺陷的调控等。此外，与不同的金属混合，生成的双金属甚至多金属合金纳米晶也具有极大潜力展现出更优异的性能与更广泛的应用。
鉴于铜材料容易被氧化的性质，铜纳米晶的储存与表面结构和价态的表征尤为重要。开发有效抑制表面氧化的方法将有利于铜纳米晶的长时间储存与使用。目前报道的方法有配体包裹、表面惰性材料覆盖、表面氧化保护层、与电负性更强的金属生成合金、负载于合适的载体上等。需要注意的是，这些方法在不同程度上都改变了铜纳米晶的表面结构或电子密度，对其性能或产生其他影响。
除合成与保存方法外，铜纳米晶表面结构与氧化态的实时表征也尤为关键。在实际应用如电催化过程中，铜纳米晶的表面形貌与价态也会随时间改变，导致催化活性与产物选择性的改变。先进的原位表征技术，如原位X射线吸收光谱（XAS）、红外（IR）、拉曼（Raman）光谱、液相电镜等，可以实时将结构形貌变化与催化性能联系起来，为催化剂的进一步优化提供科学指导。
03
AMR ：您对该领域的发展有
何种愿景？
作者团队：
随着对CO 2 还原关注度的提升，铜及其纳米晶因其对多碳产物的高选择性受到了越来越多的关注。然而，铜纳米催化剂的形貌在催化过程中并不稳定，如何理解并进一步提升其活性、选择性与稳定性是亟需解决的一大挑战。采用先进的表征手段可以有效地对铜在催化反应中的结构演变、催化机理等进行原位在线分析。此外，铜材料的价格相对低廉，具有极大的潜力替代贵金属材料。未来，对铜纳米晶性能的研究（如等离激元性能、催化特性、导电导热性能、生物相容性等）有待进一步推进，如何弥补实验室结果与工业需求之间的差距也尤为重要。开发简便高效低成本的合成方法、形貌控制策略、样品储存方法与性能优化手段等都将有力地推动铜纳米晶的应用。
作者团队简介
● 夏幼南，佐治亚理工学院生物工程系、化学与生物化学系、化学与生物分子工程系教授 ，Brock Family Chair及Georgia Research Alliance杰出学者。1996年于哈佛大学获得博士学位，1997–2007年，就职于西雅图华盛顿大学；2007–2012年，担任圣路易斯华盛顿大学James M. McKelvey教授；2012年至今，担任佐治亚理工学院教授；曾任 Nano Letters 副主编（2002‒2019）。
● 吕治衡，伊利诺大学香槟分校博士后 ，2020年于佐治亚理工学院获得博士学位，师从夏幼南教授。目前研究方向主要为原位电镜表征催化过程中纳米材料的形变与性能变化。
● 尚育馨，佐治亚理工学院博士研究生 ，2020年于南开大学获得学士学位，目前研究方向主要为纳米材料的可控合成及其在催化与生物医学中的应用。
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Shape-Controlled Synthesis of Copper Nanocrystals for Plasmonic, Biomedical, and Electrocatalytic Applications
Zhiheng Lyu, Yuxin Shang, and Younan Xia*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00134
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