由等离子体和催化成分(如金和钯)组成的双金属纳米粒子是有前景的材料,可用在所有应用,包括光催化。然而,这两种成分之间的相互作用是复杂的,可能会引起它们之间的界面产生新的特性。已经报道了双金属纳米粒子的不同形态设计,界面结构的选择决定了异质金属颗粒的特性。
一项新的研究揭示了纳米材料中的双金属界面对使用单粒子测温产生热的影响。从纳米粒子集合体到单粒子是发展材料性能和纳米尺度工艺的一致知识的关键,但也涉及需要仔细考虑的假设和定义。相关研究工作以“Thermometry on individual nanoparticles highlights the impact of bimetallic interfaces”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。祝贺!
将具有不同功能的材料混合在一起,并不一定能产生它们各自部分的简单总和。为了创造出在多个角度都很出色的纳米平台,常常追求混合设计,其中包含两种成分,每种成分都针对特定的功能进行了优化。在这样做的过程中,努力实现共生的互动。然而,由于材料之间相互作用产生的新现象的出现,预测由此产生的特性可能是一个挑战。这在同时含有等离子体和催化成分的双金属纳米粒子中尤其重要,这些粒子经常被提议作为增强的光催化平台。用于光催化的纳米材料正引起人们的极大关注,因为它们提供了在遥远的地方引发反应的可能性,此外还具有大单位质量的活性表面积,这是纳米范围内结构的典型特征。这已被证明是有效的,例如,在抗菌表面或生物医学领域,这种纳米材料在照射后可以引发病理效应。
催化材料的微观特征,如晶格间距和缺陷,与它们的电子和物理化学特性有着内在的联系。将这些材料与不同的材料紧密接触生长,会引起晶格应变和晶格参数的差异,并不可避免地影响其催化性能。另一方面,等离子体材料因其(局部)表面等离子体共振的大消光截面而受到重视,使其成为光收集的优秀候选材料。对于催化材料和等离子体材料来说,表面积极影响其性能,强调了双金属纳米材料中界面设计的重要性。两种材料之间的联系在确定混合粒子的特性方面起着关键作用。
将等离子体和催化金属结合起来进行光催化具有很大的前景。然而,由于涉及各种物理效应,具体结果取决于粒子设计的复杂细节。由于化学反应发生在纳米粒子表面,而反应速率在很大程度上取决于温度,所以等离子体纳米粒子将相当一部分的光转化为热的能力很重要。以前在胶体悬浮液上的实验表明,八角形的金/钯纳米晶体,一种对加热特别有效的形态,可以将从光中获得的能量的40%到60%转化为热。然而,这些都是对色散中的粒子系综的宏观测量,没有取向和成分的控制,这使得能得出关于系综平均的纳米效应的结论。然而,要了解发生反应的纳米级现象和表面温度,就一定要采用替代技术,在单粒子水平直接测量相关参数。
Gargiulo等人成功地应用了基于高光谱测量的纳米级测温方法来应对这一挑战。他们比较了两种不同的双金属结构,核壳和核卫星,并检查了它们的单粒子热特性。他们的结果强调了利用等离子体的局部加热能力来改善光催化的潜力,补充了光捕获和其他电磁相互作用。尽管如此,从实验的角度来看,单粒子热特性提出了实验上的考虑,需要仔细分析。
纳米尺度的热控制和监测代表了一个加快速度进行发展的领域,但它的进展并不遵循一个简单的路径。早期的纳米级热测量,重点是确定人体细胞内的温度和区分具有不一样代谢活动的区域,引发了关于理论和实验方法之间差异的讨论。这些讨论是至关重要的,因为它们强调了在缺乏获得相同信息的替代手段的情况下对准确的实验技术的需求。鉴于其统计学性质,热力学概念在纳米尺度和缩小尺寸中的适用性也受到了质疑。随着纳米测温技术的运行并提供有价值的信息,重点已转移到标准化协议和定义适当的参数,以表征新材料,包括作为热传感器和加热器。
光热剂的宏观测量通常指的是加热效率,代表了纳米粒子吸收的总能量中转化为热能的百分比。这种相对测量允许在不同实验室和实验装置的样品之间作比较,因为它与照明剂量、热耗散特性和胶体分散体中的加热器浓度无关。若使用达到的温度作为光热活动的描述性参数,则不可能作比较,因为该最终温度强烈地取决于许多实验变量。然而,加热效率并不是一个完美的参数,因为它不能进一步探索一个纳米粒子如何有效地从光中提取能量。借用光伏的概念,加热效率可以被认为是内部效率,而外部效率也将考虑到不与纳米粒子相互作用的可用能量。此外,对某些应用来说,定义效率参数可能是有用的,它说明了实现目标所需的材料的品质,例如摩尔比。
随着对单粒子水平的调查的出现,现在是时候将争论延伸到这样的领域了。Gargiulo和他的同事使用一个替代参数,即光热系数,来量化纳米粒子的光热能力;仔细考虑所有需要的近似值,以得出一个可靠的结果。这个系数将激发的辐照度与达到的温度相关联,这既直观又实用,而且避免了对辐照度的依赖。虽然由于它对粒子浓度的依赖性,它可能不是宏观测量的最佳选择,但这种限制并不影响单粒子的测量。这只剩下热耗散作为可能的实验混淆因素,可能限制未来与其他材料的比较。对于宏观测量来说,这将是一个主要的坏因,因为诸如比色皿的材料或与之接触的溶液的确切表面积等细节都很重要。相比之下,只有局部环境在单粒子测量中起作用,在这种情况下,它主要由水组成。作者证明,温度上升的距离短于100 nm,这表明超出这个范围的散热特性可能不需要仔细考虑。然后,同样地,测量是单颗粒的事实简化了在寻找描述系统的固体参数时的情况。因此,只要粒子被适当地分开,测量的单粒子性质就简化了系统的描述,而光热系数可作为定义单粒子光热特性的一个可靠参数。尽管如此,光热系数对纳米粒子群和集体光热效应不起作用。随着新的实验方法的发展,替代的效率参数有极大几率会出现,针对特定的应用,或规范化以强调特定的方面,但这里提供的单粒子测温的描述将保持有效和完整。
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