福州大学Nature Communications：金纳米团簇光学稳定性调控取得的重要进展

由精确数目的金属原子组成及有机配体保护的尺寸在1-3 nm的金属纳米颗粒也叫团簇（例如金团簇，Au cluster）。团簇具有独特的物理化学性质，因而受到广泛的关注。作为一种典型的团簇，由谷胱甘肽包裹的金团簇表现出与具有表面等离子体共振（SPR）效应的金纳米颗粒不同的性质。金团簇的结构可以在分子水平进行调控，具有离散的电子结构，因此被认为是一种可用于构建催化及太阳能转化体系的理想模型材料。

然而，超小尺寸的金团簇在光照条件下容易出现团聚而转变为尺寸更大的金纳米颗粒，电子结构发生变化，从而导致材料的光催化反应机理复杂化，催化活性显著降低。在基于金团簇的光催化材料中，已有文献观测到金团簇的光致团聚现象，并对其团聚机理进行了探究，但如何有效增强金团簇的光学稳定性仍是一个尚未解决的关键科学问题。

近日，福州大学的徐艺军（Yi-Jun Xu）（点击查看介绍）课题组发展了一种利用支化聚乙烯亚胺（BPEI）作为表面电荷修饰剂、还原剂以及稳定剂的界面修饰策略以提高负载型金团簇的光学稳定性，并利用组分调节法在其表面包裹厚度可控的半导体TiO₂壳层，在保证其良好光学稳定性的同时，可显著提高复合材料的光催化性能。相关研究结果发表在Nature Communications 上。

徐艺军课题组利用BPEI对二氧化硅纳米球表面进行正电化修饰，然后与表面带负电荷的金团簇通过静电自组装的方式进行复合。光照实验表明，该复合材料中的金团簇能够在可见光（λ > 420 nm）连续照射10小时的条件下保持良好的稳定性。一系列的对比实验和控制实验结果表明，BPEI在该过程中具有还原剂的作用，用以保护金团簇的表面配体在光照过程中不被氧化，从而有效提高金团簇的光学稳定性。此外，变换不同载体的拓展实验证明，该界面的修饰策略具有良好的适用性。

图1. 金团簇光学稳定性的测试及结果分析

考虑到二氧化硅具有较宽的带隙，金团簇产生的光生电子无法传导到其导带上，因此二氧化硅-BPEI-金团簇的光催化性能较低。为了进一步提高其光催化活性，徐艺军课题组在该复合材料上包裹了一层厚度可调控的半导体TiO₂壳层，形成具有核壳结构的二氧化硅-BPEI-金团簇@TiO₂复合光催化剂（SABT）。实验结果表明，半导体壳层的引入既能够提高复合材料的光生载流子迁移效率，抑制光生电子-空穴对的复合，还可以增强复合材料对反应底物的吸附性能，从而协同提高SABT的可见光催化活性。这一研究结果为提高金团簇复合催化剂的光学稳定性及光催化活性，拓展金团簇复合体系在太阳能转换领域的应用具有重要的科学意义。

该论文作者为：Bo Weng, Kang-Qiang Lu, Zichao Tang, Hao Ming Chen & Yi-Jun Xu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Stabilizing ultrasmall Au clusters for enhanced photoredox catalysis

Nat. Commun., 2018, 9, 1543, DOI: 10.1038/s41467-018-04020-2

导师介绍

徐艺军

http://www.x-mol.com/university/faculty/9513

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