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24号展品-(铜-银-铂-钯)二元/三元/四元素金属纳米颗粒
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  一、参赛作品概述

展品名称:(铜-银-铂-钯)二元/三元/四元素金属纳米颗粒

材料类别:金属纳米材料

创作者名称:唐曾民

所属学校:湖南工业大学

参赛论文:Facile aqueous-phase synthesis of Ag-Cu-Pt-Pd quadrometallic nanoparticles

二、展品简介

1、展品简介/创新点: 

(1) 简便、高效地合成相分离的二元金属Cu-Ag纳米颗粒;
(2)利用Cu-Ag 纳米颗粒为母体,合成含有三元金属的 Cu-Ag-Pt纳米颗粒, 以及含有四元金属的Cu-Ag-Pt-Pd 纳米颗粒;

2、性质:水分散性好,具备铜(577 nm)和银(409 nm)的紫外吸收;

3、展品应用领域:

有机催化反应:串联反应-Tandem catalysis,对硝基酚催化等;
电 化 学 催 化:二氧化碳还原;
电 化 学 检 测:无酶葡萄糖等生物传感器;
抗 菌 剂。

4、展品参数:

 

中文名

(铜---钯)二元/三元/四元素金属纳米颗粒

英文名

Cu-Ag-Pt-Pd

bi-/tri-/quaternary metallic nanoparticles

简称

Ag-Cu / Ag-Cu-Pt/ Cu-Ag-Pt-Pd

平均尺寸

89.1 nm

 

三、科研笔记

 

常规的操作,意外的收获

总所周知的铜材料,由于其价格便宜且具备很好的导电性能,在电力设备上有着广泛的应用。而小尺寸的铜纳米粒子,不仅能够简化其在电力设备上的加工工艺程序,而且还能将其应用于其他领域,例如抗菌领域、有机合成催化和电化学催化等。

在合成铜纳米粒子的旅程中,基于绿色合成的原则,选用聚乙烯亚胺BPEI作为绿色保护剂和抗坏血酸作为绿色还原剂,利用CuBr2作为铜前驱体合成了二维的铜纳米片、用CuCl2作为铜前驱体合成了一维铜纳米线,并得出结论卤素原子能够有效控制铜纳米粒子的形貌。本着做事做全套的原则,之后的研究工作是计划用类似的合同路径合成零维的铜纳米粒子。在合成过程,选用硝酸铜和硫酸铜(不含卤素原子)作为前驱体,但是得到的产物铜粒子尺寸太大(微米级别的),而且还有一定量的铜粘附于反应器内壁上和搅拌子上;无论是增加BPEI的量、增加抗坏血酸的量,还是提高温度等方法都没能达到预期。于是,此计划便搁浅了。

之后,合成的目标物便集中于含铜的合金纳米粒子。当时的自己并没有积累很多的理论基础,所以合成的方法也只是沿用原有的合成路径,打算“一招吃遍纳米天下”。选用BPEI作为卤素保护剂和抗坏血酸作为绿色还原剂,将其他的金属前驱体与硝酸铜或者硫酸铜,包括Na2PdCl4K2PtCl4AgNO3。然而结果出奇的意外,在添加Na2PdCl4K2PtCl4的实验中,反应不到10分钟,便得到了血红色的悬浮液;经过表征后,验证该粒子为纯的Cu纳米粒子,真是有心栽花花不开,无心插柳柳成荫。

在添加AgNO3的实验中,过程中观察的现象有些不同;在添加抗坏血酸之后,反应混合溶液立即变成墨绿色的悬浮液,30秒以后,微红点缀了墨绿色的悬浮液,1分钟之后,悬浮液完全转变了红色。经过检测之后,才了解到最初墨绿色的悬浮液是应为Ag纳米粒子先形成了,之后由于Cu慢慢地出现在Ag的表面并生长成两金属相分离的Cu-Ag 纳米粒子,由于铜的使用量远远Ag的使用量,最后的溶液便呈现红色。Cu-Ag 纳米粒子具有很好的水分散性,同时表现出铜和银两种金属特性,不仅可以用在电力材料领域,也可以用抗菌领域。而含有金属Cu-Ag的纳米材料在催化领域也是备受关注的,因为同一个粒子能够提供两个不同的催化中心;而且有望替代贵金属的在某些领域上的研究,即使PdPt均具有比AgCu更好的催化效果。

当前,在三元金属纳米粒子或者四元金属纳米粒子中,各金属之间的协同效应可增强整体粒子的催化效果,这一观点以被研究者广泛接受。于是,最初的设想是利用Cu-Ag纳米粒子作为母体以及CuAgPtPd各元素之间的氧化还原电势,在含有Cu-Ag纳米粒子悬浮液中依次添加Pt前驱体和Pd的前驱体,预计是Pt包覆在Cu表面,之后Pd包覆在Ag表面,这样便合成了多元金属催化剂Cu@Pt-Ag@Pd。然而,实验结果并不是按我们的设想发展的,在添加Pt前驱体之后,所有的Pt细小颗粒却是包覆在了Ag表面而非设想的Cu表面。后面经查阅文件,发现Cu-Ag 纳米粒子,由于Ag的化学电势远大于Cu的化学电势,在两金属相分析的Cu-Ag粒子中会产生表面极化效应,导致电子会在Ag粒子表面富集,活化Ag表面,所以Pt粒子首先会沉积在Ag表面,形成Cu-Ag@Pt 粒,随后Pd随机地沉积在CuAg表面。

 

内心深处,我们都希望每件事情都按着自己的想法和计划顺利发展,然而在实际中常常会遇到意料不到的变数。由于自身认知的不足,这些变数往往又是情理之中的。这些变数,在当时的自己看来,是阻碍、是困难,但也是有着其内在的意义。其意义在于,每个人的努力,都会收获努力本身存在的意义。每个人的努力,也都会在生命某处某时绽放,只是不能确定在何处何时绽放而已。我们唯有不懈地研究、耐心地等待它绽放的时刻,然后细细品味一路走来的汗水。

 

 

 

 

 

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