基于等离子体-液体相互作用的尺寸及形状可控金属纳米粒子合成

As a new branch of plasma research, the metal nanoparticles (NPs) synthesis by plasma-liquid interactions (PLIs) attracts much attention. Because the synthesis process is simple, low cost, and rapid, it is expected that the PLI method can be an alternative for the conventional solution-based synthesis in the future. Although there are many progresses in the development of the PLI-based NP syntheses, up to date, the details of synthesis mechanism are still not clear, which limits the efficient tailoring of the synthesis process. In addition, the size- and shape-controlled synthesis of NPs also remains absent, resulting in a bottleneck for the further development and applications of the synthesized NPs, since the physical and chemical properties of NPs are closely related to their sizes and shapes. In this project, based on our research in the PLIs, we will investigate not only the solution evolution, but also the processes in the bulk plasma and the plasma-liquid interface by using several liquid and plasma diagnostic tools. We aim to finally disclose the underlying secrets in the PLI-based synthesis, and realize the size- and shape-controlled rapid synthesis of metal NPs from the PLIs. The implementation of this project will produce great influence on the practical applications of metal NPs by much decreasing the cost and promoting the NPs’ properties. Moreover, many scientific issues can benefit from the comprehensive understanding of the PLIs.

作为一个崭新的等离子体研究分支，利用等离子体-液体相互作用来合成金属纳米粒子已吸引了大量的注意。其合成过程简单、低值并且高速，因此有望于将来成为传统液相合成法的替代者。尽管在此合成法方面的研究已取得了许多进展，但迄今为止，合成机制的细节仍不明晰，从而限制了对合成过程的有效调制；另外，与金属纳米粒子性能紧密相关的粒子尺寸及形状控制问题依然是此合成法进一步应用和开发的瓶颈。本项目将基于我们在等离子体-液体相互作用领域积累的研究经验，采用多种液相和等离子体分析方法，不仅对液相中的演化进行深入的研究，同时也对等离子体本身以及等离子体-液体界面进行探测，期望揭示潜在的详细合成机制，最终实现快速、有效地合成尺寸及形状可控的金属纳米粒子。本研究的实现将不仅大大降低合成的费用、提高所合成纳米粒子的性能，具有重大的经济效益，而且可以增进对等离子体-液体系统的深入理解，具有重要的科学意义。

等离子体-液体相互作用能引起多种物理化学过程，对这些过程的利用使得等离子体-液体系统能应用于多种领域，例如等离子体医学、污水处理及纳米材料合成。本研究的目的是理解等离子体-液体中的各种过程并应用于合成尺寸及形状可控的纳米粒子。在本研究中，利用等离子体-液体相互作用，我们合成了具有可见光催化性能的Cu2O纳米颗粒，通过调节其尺寸和形状可调控其光催化分解水中有机污染物的性能；我们合成了棒状纳米Au颗粒；我们合成了PtAu合金纳米颗粒; 通过调控液中成分，我们实现了对等离子体-液体相互作用合成纳米材料生长过程的有效控制。其次，我们也考察了等离子体-液体作用过程中，由相互作用产生的NO3-、NO2-及H2O2的产生机制及时间演化；最后，因为OH是等离子体-液体相互作用过程中产生的最具氧化性的成分，因此其等离子体-液体系统的应用具有重要的影响，通过实验和理论分析，我们探讨了探测OH产率的可行性以及存在的困难。所有这些结果都表明虽然等离子体-液体相互作用过程极其复杂，但我们可以通过调控液体成分和等离子体参数来实现纳米材料的可控合成，从而实现对其性能的调制。另外，对等离子体-液体相互作用过程的研究，揭示了相互作用能产生大量的强氧化性成分，这使我们看到了将其直接应用于其他领域（如污水处理）的巨大前景。