光驱动热释电发电机用于SERS增强和原位监测氧还原反应催化过程

纳米发电机作为一种绿色能源收集和转换技术，受到了科研人员的广泛关注。表面增强拉曼散射（SERS）技术可实现生化分子指纹信息的超灵敏和非特异性检测，在生物传感、食品安全、环境监测和疾病诊断等领域具有广泛的应用。研究表明，电场可以促进光生电子和空穴对的有效分离，进而调控热载流子密度，有助于提高SERS增强因子以及光催化反应效率。经典的压电或摩擦电纳米发电机需要借助外部应力产生电势。通过机械形变产生压电和摩擦电势会使样品表面产生较大振幅的振动，进而影响原位SERS检测过程中激光聚焦过程，难以满足均一、稳定SERS检测的实际需求。因此，如何在微小振动下实现对热载流子密度的有效调控是获得高性能SERS，改善原位催化监测技术的关键。

图1. 热释电纳米发电机的结构示意图。

为了解决这个问题，山东师范大学物理与电子科学学院满宝元教授（点击查看介绍）领衔的光电功能材料与器件团队，设计制备了一种无振动的光驱动热释电纳米发电机。该发电机由柔性PVDF薄膜和graphene@AgNWs等离激元层组成，其中等离激元层数可控调节形成光吸收层，在模拟日光灯照射下，能够不同程度吸收光照，从而改变温度的变化（ΔT），进而调节热释电信号。数值模拟证明，在热释电效应和等离激元效应协同作用下，局域电场强度显著提高。利用该发电机作为SERS基底，可有效增强罗丹明6G分子和结晶紫分子的拉曼信号，证明了利用热释电纳米发电机可实现对等离激元层局域热载流子密度的可控调节。进一步利用发电机作为SERS基底实现了对胺基苯酚分子氧化为4-硝基苯硫酚分子的原位监测。另外开展还原反应的原位SERS研究，例如燃料电池中的氧还原反应（ORR），对理解催化过程的反应机理至关重要，传统催化过程需要使用电极进行复杂的电化学测试，不适合原位监测。利用该发电机作为SERS基底可以实现在酸性环境下对ORR中间产物的原位监测。该工作的完成为调控SERS检测、改善原位催化监测提供了一种新思路，对其他光学传感技术同样具有重要的参考价值。

图2. （a）等离激元效应下，拉曼监测对胺基苯酚分子偶联为二巯基偶氮二苯分子。（b）热释电纳米发电机调节下实现对对胺基苯酚分子完全氧化为4-硝基苯硫酚分子的原位监测。（c）拉曼峰强度与反应时间的函数曲线。（d）氧还原反应中间产物的原位检测。（e）等离激元和热释电效应共同增强催化反应机制示意图。

相关成果发表在Nano Energy上。山东师范大学物理与电子科学学院李崇辉博士为论文的第一作者，山东师范大学满宝元教授、浙江大学杨士宽教授、山东师范大学张超副教授为论文的共同通讯作者。

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Local hot charge density regulation: vibration-free pyroelectric nanogenerator for effectively enhancing catalysis and in-situ surface enhanced Raman scattering monitoring

Chonghui Li, Shicai Xu, Jing Yu, Zhen Li, Weifeng Li, Jihua Wang, Aihua Liu, Baoyuan Man, Shikuan Yang, Chao Zhang

Nano Energy, 2020, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105585

满宝元教授简介

满宝元，山东师范大学党委常委、副校长，博士生导师。山东省物理学会监事会副主任，山东省激光学会常务理事。山东省有突出贡献的中青年专家，山东省优秀研究生指导教师，享受国务院政府特殊津贴。主要研究领域为激光与物质相互作用以及纳米薄膜材料的制备、表征和应用。主持国家自然科学基金5项、省部级项目10项。在Nature Communication，Nano Energy，Nanoscale、Nanophotonics等主流期刊上发表高水平学术论文190余篇，引用4300余次，h指数为36，2篇论文入选“高被引论文”，1篇论文入选“热点论文”。作为第一完成人曾获山东省自然科学一等奖。已指导培养博士生18名，硕士生43名，指导学生曾获山东省优秀博士论文。

https://www.x-mol.com/university/faculty/178881 

杨士宽博士简介

杨士宽博士2009年毕业于中国科学院固体物理研究所，于2009-2016年先后在明斯特大学和宾夕法尼亚州立大学做博士后研究，入选2016年海外高层次人才计划，加入浙江大学材料科学与工程学院，受聘为正高级职称研究员，博士生导师。研究方向包括：富集—SERS检测集成式器件构建、金属微纳超结构/超表面，仿生学等。迄今为止已发表70余篇学术论文，第一作者/通讯作者论文40余篇，包括PNAS, Nature Communications, Science Advances 等，所发表论文被引用4500余次，h因子为34，研究成果多次被ScienceDaily, Science Newsline, R&D等知名媒体报道。

https://www.x-mol.com/university/faculty/53208 

张超博士简介

张超，山东师范大学物理与电子科学学院，副教授，硕士生导师，物理与电子科学学院院长助理，山东师范大学凝聚态物理硕士学位点负责人。山东省优秀博士学位论文获得者，入选首批博士学术新人培育计划。2016年毕业于山东师范大学物理与电子科学学院。2018年在美国休斯敦大学进行学术访问。2019年5月起在武汉大学徐红星院士课题组访问交流。长期从事表面等离激元增强光谱研究。在国际权威刊物发表SCI收录论文90余篇，其中以第一作者或通讯作者发表 SCI收录学术论文 30余篇（1篇论文入选“高被引论文”、1篇论文入选“热点论文”），引用2000余次，h指数为27，获授权发明专利7项，软件著作权5项。