近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員李越課題組和北京理工大學(xué)教授曲良體課題組合作，在核殼結構的納米材料研究方面取得新進(jìn)展，研制出構筑尺寸均一的石墨烯包覆銅納米顆粒核殼結構的復合材料，其催化效率大幅提高，是金納米顆粒的14倍。相關(guān)研究成果以Copper composite arrays and their enhanced catalytic performance 為題，在A(yíng)cta Materialia（2016, 105, 59-67）上發(fā)表。
圖a與圖（b）分別是銅納米顆粒陣列和石墨烯包覆銅納米顆粒陣列的SEM照片；圖（c）與圖（d）分別是銅納米顆粒陣列和石墨烯包覆銅納米顆粒陣列的TEM 照片；圖（e）從下至上的曲線(xiàn)分別為銅納米顆粒陣列、氧化石墨烯以及石墨烯包覆銅納米顆粒陣列的拉曼圖；圖（f）為石墨烯包覆的銅納米顆粒為催化劑，4-硝基苯酚還原成4-氨基苯酚的過(guò)程。 相比于單組份材料，由于核與殼的相互耦合，核殼結構的納米材料（如以金屬顆粒為核，無(wú)機或有機材料為殼）的部分性能會(huì )大幅度提高。以貴金屬（鉑、金、銀等）納米顆粒為核的核殼材料，被廣泛應用于光學(xué)、電化學(xué)及催化等領(lǐng)域。然而，貴金屬資源非常有限，且價(jià)格昂貴，在一定程度上制約了這類(lèi)材料的大規模推廣應用。而銅資源豐富、價(jià)格低廉，在某些方面具有和貴金屬類(lèi)似的性能，如較強的局域表面等離子共振，良好的電化學(xué)性能和催化性能等，因此銅納米顆粒被視為貴金屬納米顆粒理想的替代者。但是，目前合成銅納米顆粒的方法有一定局限性，例如銅納米顆粒尺寸的均勻性差，易團聚，不宜長(cháng)時(shí)間保存，容易被氧化。這些問(wèn)題導致銅納米顆粒在實(shí)際應用中受到很大的限制。
針對上述問(wèn)題，研究團隊采用單層的膠體晶體為模板，通過(guò)磁控濺射沉積一層一定厚度的銅膜，在還原性和保護性氣氛下高溫退火，成功得到平方厘米級、顆粒尺寸均一的銅納米顆粒有序陣列。利用銅納米顆粒的還原性和氧化石墨烯的氧化性，采用一步法在銅納米顆粒表面制備2-3 nm厚度的石墨烯層。上述材料在對4-硝基苯酚到4-氨基苯酚的還原過(guò)程中，表現出高的催化性能和穩定性，該材料在催化過(guò)程中還可被重復利用。更重要的是，這種石墨烯包覆銅納米顆粒核殼結構復合材料的催化效率比貴金屬納米顆粒提高很多，是現有文獻報道的金納米顆粒催化效率的14倍。上述優(yōu)異的催化性能主要是由于石墨烯具有豐富的π-π 鍵能與4-硝基苯酚發(fā)生共軛，有利于捕捉4-硝基苯酚分子；同時(shí)，石墨烯具有高的電子遷移率，利于加速反應的進(jìn)程。石墨烯殼層還可以保護銅納米顆粒不被氧化，保持了高的穩定性。
上述研究得到了“973”項目、國家自然科學(xué)基金和中科院科技創(chuàng )新“交叉與合作團隊”等項目的資助。
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