多功能石墨烯包覆铜纳米材料的电弧等离子体法调控及其水污染治理性能研究

Although noble metal plasmon core/shell nanomaterials have broad potentials in the detection and management of water pollutants, they are still limited because of the complex preparation process, high cost and single-function of coating shells. Considering the urgent need of plasmon materials with high-performance, multi-functionality, low-cost and facile synthetic process, this project synthesizes the graphene encapsulated copper nanomaterials (Cu@G) which are modified with high-concentration nitrogen-containing functional groups on the shell surfaces uniformly. The synergistic integration of enhanced localized surface plasmon resonance and high efficient electron-transfer property is enabled by tailoring the diameter/aspect ratio of copper cores, the thickness of coating shells, the species and amount of nitrogen-containing groups on the surfaces. The mechanism of structural evolution and surface functionalization is investigated. On the basis of the performance evaluation of heavy metal ion detection and organic pollutant catalytic degradation, we establish and clarify the structure-performance relations of Cu@G. The results of this project will provide new approaches for the structural design and controllable synthesis of novel multifunctional nanomaterials for water management.

贵金属基等离子体激元纳米核壳材料在水体污染物检测与治理领域有广泛的应用价值，但仍受限于其制备工艺复杂、成本高昂、壳层功能单一。基于对高性能、多功能、廉价、合成工艺简便的等离子体激元材料的迫切需求，本项目拟采用电弧等离子体一步可控制备表面均匀修饰有高浓度含氮基团的石墨烯包覆铜纳米材料（Cu@G），通过调控产物的铜核直径/纵横比、包覆壳层厚度及其表面含氮结构的形态与数量，实现Cu@G增强局域表面等离子体共振特性和高效电子传输能力的协同集成，并揭示Cu@G形貌结构演化和表面功能化过程中的形核、生长和表面修饰机理。借助于重金属检测与有机污染物催化性能评价，构建出材料的结构-性能关系，准确阐明Cu@G的微观结构和表面功能化对其高效高选择性检测与控制水体污染物性能的作用规律。本项目研究结果为新型多功能水环境纳米材料的结构设计和可控制备提供新思路。

本项目针对直流电弧法合成核壳纳米材料可控性低的瓶颈，围绕着石墨碳包覆金属纳米颗粒的电弧法一步制备、石墨碳包覆金属颗粒纳米结构和表面功能化的调变机理、石墨碳包覆金属颗粒结构/功能化与其效能关系的构建等研究中存在的关键科学问题开展了工作，并取得了如下一些重要成果：.（1）开展了石墨碳包覆金属核壳纳米颗粒的电弧法合成研究，金属内核包括铜、银、钴、铁多种类型。通过系统改变前驱物组成和还原性气体比例，可控调变了石墨包覆金属纳米颗粒的内核尺寸、壳层厚度、表面官能团种类与数量，提升了电弧纳米合成的可控性。.（2）结合等离子体光谱诊断，构建了关键电弧等离子体物质时空特征与纳米颗粒的核壳结构演化、表面功能化之间的关系，为核壳纳米颗粒的电弧法设计和可控制备提供新的技术参考。.（3）在此基础上研究了石墨碳包覆金属纳米颗粒的内核尺寸演化（纳米球、纳米线、核-卫星）、壳层厚度裁剪、特定官能团修饰（疏水、氨基、巯基、阳离子化）对其LSPR特性、表面电子传输能力、与目标污染物特异性的影响，进而实现对水体中痕量重金属离子（铜(II)、汞(II)、铬(III)）的高灵敏度高选择性富集检测、铬(VI)和硝基芳香物的高效催化还原，以及微波的高效吸收，有效拓展并提升了石墨碳包覆金属纳米颗粒的应用潜力。.（4）本项目的实施具有长久的科学意义，不仅能够提供一种石墨包覆单一金属纳米颗粒的电弧法可控合成方法，同时也将电弧纳米合成由壳层包覆一元金属拓展到壳层包覆核-卫星结构二元金属纳米复合组装材料，对深入理解电弧放电制备理想性能、复杂结构的纳米复合材料有非常积极的意义。此外，本项目将传统微纳金属粉体的应用范围及对特定目标物的选择性作用进行了有效拓展，通过多组分间的协同集成，提升了应用性能，为有的放矢地去设计与制备复杂结构、理想性能的纳米材料具有非常积极的意义。