一、研究背景

由等離子體和催化成分（如金和鈀）組成的雙金屬納米粒子是有前景的材料，可用于各種應(yīng)用，包括光催化。然而，這兩種成分之間的相互作用是復(fù)雜的，可能導(dǎo)致它們之間的界面產(chǎn)生新的特性。已經(jīng)報(bào)道了雙金屬納米粒子的不同形態(tài)設(shè)計(jì)，界面結(jié)構(gòu)的選擇決定了異質(zhì)金屬顆粒的特性。

二、研究成果

一項(xiàng)新的研究揭示了納米材料中的雙金屬界面對(duì)使用單粒子測(cè)溫產(chǎn)生熱的影響。從納米粒子集合體到單粒子是發(fā)展材料性能和納米尺度工藝的一致知識(shí)的關(guān)鍵，但也涉及需要仔細(xì)考慮的假設(shè)和定義。相關(guān)研究工作以“Thermometry on individual nanoparticles highlights the impact of bimetallic interfaces”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上。祝賀！

三、圖文速遞

一、催化和等離子體效應(yīng)是沖突還是共生？

將具有不同功能的材料混合在一起，并不一定能產(chǎn)生它們各自部分的簡(jiǎn)單總和。為了創(chuàng)造出在多個(gè)方面都很出色的納米平臺(tái)，常常追求混合設(shè)計(jì)，其中包含兩種成分，每種成分都針對(duì)特定的功能進(jìn)行了優(yōu)化。在這樣做的過(guò)程中，努力實(shí)現(xiàn)共生的互動(dòng)。然而，由于材料之間相互作用產(chǎn)生的新現(xiàn)象的出現(xiàn)，預(yù)測(cè)由此產(chǎn)生的特性可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。這在同時(shí)含有等離子體和催化成分的雙金屬納米粒子中尤其重要，這些粒子經(jīng)常被提議作為增強(qiáng)的光催化平臺(tái)。用于光催化的納米材料正引起人們的極大關(guān)注，因?yàn)樗鼈兲峁┝嗽谶b遠(yuǎn)的地方引發(fā)反應(yīng)的可能性，此外還具有大單位質(zhì)量的活性表面積，這是納米范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的典型特征。這已被證明是有效的，例如，在抗菌表面或生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種納米材料在照射后可以引發(fā)病理效應(yīng)。

催化材料的微觀特征，如晶格間距和缺陷，與它們的電子和物理化學(xué)特性有著內(nèi)在的聯(lián)系。將這些材料與不同的材料緊密接觸生長(zhǎng)，會(huì)引起晶格應(yīng)變和晶格參數(shù)的差異，并不可避免地影響其催化性能。另一方面，等離子體材料因其（局部）表面等離子體共振的大消光截面而受到重視，使其成為光收集的優(yōu)秀候選材料。對(duì)于催化材料和等離子體材料來(lái)說(shuō)，表面積極影響其性能，強(qiáng)調(diào)了雙金屬納米材料中界面設(shè)計(jì)的重要性。兩種材料之間的聯(lián)系在確定混合粒子的特性方面起著關(guān)鍵作用。

將等離子體和催化金屬結(jié)合起來(lái)進(jìn)行光催化具有很大的前景。然而，由于涉及各種物理效應(yīng)，具體結(jié)果取決于粒子設(shè)計(jì)的復(fù)雜細(xì)節(jié)。由于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在納米粒子表面，而反應(yīng)速率在很大程度上取決于溫度，所以等離子體納米粒子將相當(dāng)一部分的光轉(zhuǎn)化為熱的能力特別重要。以前在膠體懸浮液上的實(shí)驗(yàn)表明，八角形的金/鈀納米晶體，一種對(duì)加熱特別有效的形態(tài)，可以將從光中獲得的能量的40%到60%轉(zhuǎn)化為熱。然而，這些都是對(duì)色散中的粒子系綜的宏觀測(cè)量，沒(méi)有取向和成分的控制，這使得可以得出關(guān)于系綜平均的納米效應(yīng)的結(jié)論。然而，要了解發(fā)生反應(yīng)的納米級(jí)現(xiàn)象和表面溫度，就必須采用替代技術(shù)，在單粒子水平直接測(cè)量相關(guān)參數(shù)。

二、納米級(jí)測(cè)溫

Gargiulo等人成功地應(yīng)用了基于高光譜測(cè)量的納米級(jí)測(cè)溫方法來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。他們比較了兩種不同的雙金屬結(jié)構(gòu)，核殼和核衛(wèi)星，并檢查了它們的單粒子熱特性。他們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了利用等離子體的局部加熱能力來(lái)改善光催化的潛力，補(bǔ)充了光捕獲和其他電磁相互作用。盡管如此，從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)看，單粒子熱特性提出了實(shí)驗(yàn)上的考慮，需要仔細(xì)分析。

納米尺度的熱控制和監(jiān)測(cè)代表了一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，但它的進(jìn)展并不遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的路徑。早期的納米級(jí)熱測(cè)量，重點(diǎn)是確定人體細(xì)胞內(nèi)的溫度和區(qū)分具有不同代謝活動(dòng)的區(qū)域，引發(fā)了關(guān)于理論和實(shí)驗(yàn)方法之間差異的討論。這些討論是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈儚?qiáng)調(diào)了在缺乏獲得相同信息的替代手段的情況下對(duì)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的需求。鑒于其統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)，熱力學(xué)概念在納米尺度和縮小尺寸中的適用性也受到了質(zhì)疑。隨著納米測(cè)溫技術(shù)的運(yùn)行并提供有價(jià)值的信息，重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議和定義適當(dāng)?shù)膮?shù)，以表征新材料，包括作為熱傳感器和加熱器。

三、光熱發(fā)電的效率參數(shù)

光熱劑的宏觀測(cè)量通常指的是加熱效率，代表了納米粒子吸收的總能量中轉(zhuǎn)化為熱能的百分比。這種相對(duì)測(cè)量允許在不同實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)裝置的樣品之間進(jìn)行比較，因?yàn)樗c照明劑量、熱耗散特性和膠體分散體中的加熱器濃度無(wú)關(guān)。如果使用達(dá)到的溫度作為光熱活動(dòng)的描述性參數(shù)，則不可能進(jìn)行比較，因?yàn)樵撟罱K溫度強(qiáng)烈地取決于許多實(shí)驗(yàn)變量。然而，加熱效率并不是一個(gè)完美的參數(shù)，因?yàn)樗荒苌钊肓私庖粋€(gè)納米粒子如何有效地從光中提取能量。借用光伏的概念，加熱效率可以被認(rèn)為是內(nèi)部效率，而外部效率也將考慮到不與納米粒子相互作用的可用能量。此外，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，定義效率參數(shù)可能是有用的，它說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需的材料質(zhì)量，例如摩爾比。

隨著對(duì)單粒子水平的調(diào)查的出現(xiàn)，現(xiàn)在是時(shí)候?qū)?zhēng)論延伸到這個(gè)領(lǐng)域了。Gargiulo和他的同事使用一個(gè)替代參數(shù)，即光熱系數(shù)，來(lái)量化納米粒子的光熱能力；仔細(xì)考慮所有需要的近似值，以得出一個(gè)可靠的結(jié)果。這個(gè)系數(shù)將激發(fā)的輻照度與達(dá)到的溫度相關(guān)聯(lián)，這既直觀又實(shí)用，而且避免了對(duì)輻照度的依賴。雖然由于它對(duì)粒子濃度的依賴性，它可能不是宏觀測(cè)量的最佳選擇，但這種限制并不影響單粒子的測(cè)量。這只剩下熱耗散作為可能的實(shí)驗(yàn)混淆因素，可能限制未來(lái)與其他材料的比較。對(duì)于宏觀測(cè)量來(lái)說(shuō)，這將是一個(gè)主要的不利因素，因?yàn)橹T如比色皿的材料或與之接觸的溶液的確切表面積等細(xì)節(jié)都很重要。相比之下，只有局部環(huán)境在單粒子測(cè)量中起作用，在這種情況下，它主要由水組成。作者證明，溫度升高的距離短于100?nm，這表明超出這個(gè)范圍的散熱特性可能不需要考慮。然后，同樣地，測(cè)量是單顆粒的事實(shí)簡(jiǎn)化了在尋找描述系統(tǒng)的固體參數(shù)時(shí)的情況。因此，只要粒子被適當(dāng)?shù)胤珠_(kāi)，測(cè)量的單粒子性質(zhì)就簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的描述，而光熱系數(shù)可作為定義單粒子光熱特性的一個(gè)可靠參數(shù)。盡管如此，光熱系數(shù)對(duì)納米粒子群和集體光熱效應(yīng)不起作用。隨著新的實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展，替代的效率參數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)，針對(duì)特定的應(yīng)用，或規(guī)范化以強(qiáng)調(diào)特定的方面，但這里提供的單粒子測(cè)溫的描述將保持有效和完整。

四、文章官網(wǎng)鏈接

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38983-8