单金属纳米粒子的电化学性能研究

刘　娟，薛婉怡，叶　芳，王俊人，周　明（东北师范大学化学学院，纳米生物传感分析吉林省高校重点实验室，多酸科学教育部重点实验室，动力电池国家地方联合工程实验室，吉林长春130024）



单金属纳米粒子的电化学性能研究

刘娟，薛婉怡，叶芳，王俊人，周明*
（东北师范大学化学学院，纳米生物传感分析吉林省高校重点实验室，多酸科学教育部重点实验室，动力电池国家地方联合工程实验室，吉林长春130024）

面向单金属 纳米粒子（single metal nanoparticles）电化学性能的研究是近年来电化学领域的研究热点之一。该项研究将加深我们对于金属纳米粒子电化学催化机理的理解，进而设计更加有效的电化学催化剂。然而为了获得真实、可信的单金属纳米粒子电化学性能，实验本身对实验设备和技术的要求相对苛刻：（1）对极低电流的检测。单金属纳米粒子产生的电流极小，通常在皮安（pA=10-12A）甚至飞安（fA=10-15A）级；（2）时间分辨能力要求相对较高。现阶段通过纳米粒子与微电极碰撞对单金属纳米粒子电化学性能进行研究的方法，需要仪器满足电流在微秒级的时间分辨下测量。（3）原位测量。现阶段通过纳米粒子与微电极碰撞对单金属纳米粒子电化学性能进行研究的方法，需要原位测量。

近年来，美国华盛顿大学（西雅图）化学系张波教授课题组在单金属纳米粒子电化学性能研究方面开展了系统、有特色的研究。2010年，该课题组率先开展了基于单金属纳米粒子电极的制备及其电化学性能研究［1］。在该工作中，他们首先利用激光拉制了直径约为6 nm的铂电极，然后将金纳米粒子修饰于铂电极表面，构筑了基于单个金纳米粒子的电极，进而系统地研究了单个金纳米粒子的稳态电化学响应，图1（A）。2014年，张波教授课题组首次利用快速循环伏安法（fast-scan cyclic voltammetry）研究了单铂纳米粒子与微电极碰撞过程中单铂纳米粒子的电化学性能［2］，图1（B）。该方法的优点在于快速扫描循环伏安法可以记录单个纳米粒子在不同电位的电流变化，这使研究者可以获得对单个纳米粒子的化学分辨能力。该方法突破了美国德州大学奥斯汀分校Bard教授课题组及其他课题组一直以来利用恒电位法研究单金属纳米粒子电化学性能的局限性。最近，张波教授课题组利用拟合的方法进一步验证了快速循环伏安法是一种研究单金属纳米粒子电化学性能的非常有效的方法［3］。

图1　（A）单金纳米粒子电极示意图；（B）利用快速扫描循环伏安法研究单铂纳米粒子与微电极碰撞过程中单铂纳米粒子电化学性能的示意图

参考文献

［1］Li Y，Cox J，Zhang B.Electrochemical responses and electrocatalysis at single Au nanoparticles［J］.Journal of the American Chemical Society，2010，132 （9）：3047-3054.

［2］Guo Z，Percival S，Zhang B.Chemically resolved transient collision events of single electrocatalytic nanoparticles［J］.Journal of the American Chemical Society，2014，136（25）：8879-8882.

［3］Percival S，Zhang B.Fast-scan cyclic voltammetry allows determination of electron-transfer kinetic constants in single nanoparticle collision［J］.The Journal of Physical Chemistry C，2016，In Press，DOI:10.1021/acs.jpcc. 5b11330.

*通信联系人，E-mail:zhoum739@nenu.edu.cn

基金项目：中组部“千人计划”青年人才项目；东北师范大学“化学学院科研项目孵化专项资金”本科生项目；国家级大学生创新创业训练计划创新训练项目