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-银-铂-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Na₂PdCl₄、K₂PtCl₄和AgNO₃。然而结果出奇的意外，在添加Na₂PdCl₄和K₂PtCl₄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Pd和Pt均具有比Ag和Cu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Cu、Ag、Pt和Pd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Cu和Ag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。