原位SERS研究表面等离激元诱导化学反应及机理

Studies on chemical reactions induced by surface plasmon (SP)started in 2010, which is one of significant and hot subjects in plasmonics and a new direction in the area of catalysis.Current researches mainly focus on the coupling reactions of amine and nitro groups, and other types of chemical reactions that can be directly induced by SP remain to be explored. Based on our previous works, this proposal starts from the controllable synthesis of SERS-active metal nanostructures, and then focuses on the SP induced oxidation, reduction, decoration and removal of functional groups, cyclization and ring-opening reactions by in situ SERS technique on the as-prepared SERS substrates and hierarchical nanomaterials. We will try to explore some catalytic reactions that are difficult or unable to achieve by conventional catalysts. Through experimental and theoretical studies, effects of structure, morphology, and size of the prepared materials, laser wavelength and power, and reaction atmosphere on the SP-induced reactions will be investigated. We strive to interpret the role and working mechanism of SP in the SP induced chemical reactions. Our study can lay a solid scientific foundation for in-depth study and broadening the development of SP-induced chemical reactions, and provide some new ideas and avenues for the study of catalytic reactions.

表面等离激元(SP)诱导化学反应的研究始于2010年，是等离激元光子学领域研究的重点和热点之一，亦是催化反应研究领域的一个新方向。目前的研究主要集中于氨基和硝基的偶联反应，SP直接诱导其它类型化学反应的研究仍处于探索和起步阶段。在前期研究基础上，本项目拟从适用于表面增强拉曼光谱(SERS)研究的金属纳米结构的可控合成出发，提出在制备的SERS基底材料和具有分级结构的纳米材料上，利用原位SERS技术系统研究SP诱导氧化、还原、官能团修饰或去除、成环开环等化学反应，探索完成一些常规催化剂难以实现或不能实现的化学反应。通过实验和理论研究，揭示材料结构、形貌和尺寸以及激光波长、功率和反应气氛对相关化学反应的影响，阐明所研究化学反应中SP的作用机理，为SP诱导化学反应这一新兴方向的深入研究和拓宽发展打下坚实的科学基础，为催化反应的研究提供一些新的思路和方法。

表面等离激元(Surface Plasmon, SP)诱导催化反应是等离激元光子学领域研究的重点和热点之一，亦是催化反应研究领域的一个新方向。本项目从适用于表面增强拉曼光谱(SERS)研究的金属纳米结构的可控合成出发，提出在制备的SERS基底材料和具有分级结构的纳米材料上，利用原位SERS技术系统研究SP诱导氧化、还原、官能团修饰或去除、成环开环等化学反应，探索完成一些常规催化剂难以实现或不能实现的化学反应。研究证实，在硝基转为偶氮的反应中，SP提供热电子；在氨基转化为偶氮的反应中，SP起原位加热和活化氧的作用；在贵金属纳米结构中，引入TiO2、MoS2等半导体材料可以进一步调控SP诱导催化反应的速率。研究发现，SP可以直接诱导苯环硝基化、石墨烯氯化等反应，利用原位拉曼技术可以实现[2+2]环加成及其逆反应。本项目的研究还发现了MoS2、MoSe2、ReS2、VO2等二维半导体材料可以通过化学增强机理作为SERS基底材料，对上述材料的相变诱导增强机理进行了合理的解析。本项目的研究为SP诱导化学反应这一新兴方向的深入研究和拓宽发展打下坚实的科学基础，为催化反应的研究提供一些新的思路和方法。