无模板交流电沉积形貌和成分可控的金合金纳米线及它们的化学生物传感性能研究

The proposed project is aimed at preparing and characterizing gold-platinum and gold-palladium alloy nanowires by a frequency-variable alternating current technique, and establishing the correlation of the alloy structures with their chemical and biological sensing properties. A key approach for achieving this goal will focus on manipulating the electrolyte composition, the electrochemical parameters, and the microelectrode configuration, and by controlled neucleation at low frequency, growth at high frequency, and allignment of nanowires under dual-directional electrophoretic and electrothermal forces. A major task is to develop the understanding of the control over the electrodeposition rate of metal ions under different alternating currents, potentials and waveforms, which will allow the formation of morphology- and composition-controllable gold-platinum and gold-palladium alloy nanowires. In addition to determining the alloy nanowire formation mechanism, the detailed morphology, composition, and phase structure of the alloy nanowires will be characterized. The results will be used for understanding the alloy phase structures and the nanowire stability, and for developing sensitive and selective sensing nanowires for chemical and biological sensors. The novelty of the proposed approach is the utilization of a templateless and frequency-variable alternating current technique for the preparation of morphology- and composition-controllable alloy nanowires, and the establishment of the correlation between the nanowires' alloy structures and their chemical/biological sensing properties towards a new class of highly-sensitive and selective sensing nanomaterials for chemical and biological sensing applications.

本项目拟采用变频交流电方法制备和组装金铂、金钯合金纳米线, 并探索合金纳米线的结构和化学生物传感性能。项目中应用的一个重要技术是通过改变电解液组成、交流电参数和微电极结构，采用低频成核、高频生长，并通过双向电泳和电热流作用排线，制备出具有成分和形貌可调和可控的、均匀连续的合金纳米线。本项目的主要任务是研究金合金纳米线的成分、形貌及尺寸的控制方法，制备出直线、枝状和网状等各种形貌的纳米线，并探索它们作为新型敏感材料在化学生物传感方面的应用。要解决的关键问题包括探讨合金纳米线的交流电沉积机理，研究合金纳米线成相结构与交流电沉积控制参数的关系，并揭示合金纳米线结构与传感器稳定性、灵敏度和选择性等性能之间的关系。本项目的创新在于采用无模板变频交流电沉积的方法制备出形貌和成分可调和可控的金合金纳米线，并建立合金纳米线的结构和化学生物传感性能之间的关系。

合金纳米线的成分、形貌和结构的可调性和可控性将会直接影响化学生物传感器灵敏度、稳定性和选择性等性能。本项目研究了各种合金纳米线的成分、形貌及尺寸的控制方法，制备出直线、枝状和网状等各种形貌的纳米线，探讨合金纳米线的交流电沉积和化学还原自组装的制备方法，研究合金纳米线成相结构与传感性能和电催化性能之间的关系。其研究体现了如下方面的成果：.（1）在金微电极上交流电沉积组装形貌和成分可控的Pt-Au合金纳米线，具有单晶结构。Pt35Au65合金纳米线具有高电氧化催化活性归结于金原子能够有效分散Pt原子，减小了Pt对CO分子的吸附中毒，有效地提高了甲酸直接脱氢的催化活性。Au-Pt枝状纳米线构筑成的H2O2传感器，具有很高的灵敏度。.（2）低电压和低频率有利于沉积沿<111>晶向生长的少分枝的一维Au-Pt合金纳米线。增大电压或频率使成核速率增加，沿<200>晶向的生长速率增大，有利于沉积多分枝的三维纳米枝晶。.（3）最优化集团效应和配位效应可制备成分可控的表面合金纳米材料，（111）晶面为主的超细铂金合金纳米线为平行捆绑的结构，显示出对氧还原超强的电催化能力。铂金合金成分比为3:1时，原子间成键的距离有明显的收缩，表现出了最高的电催化活性。 .（4）采用无模板一步溶剂热法成功合成了三种网状精细Pt-Cu合金纳米线束， Pt与Cu形成合金会改变Pt的电子结构，而且CO与Cu结合得更紧密，使Pt催化剂的活性位点不易受CO的吸附而中毒，从而提高了Pt的催化活性。Pt32Cu68合金纳米线束展现出良好电催化活性和稳定性。Pt-Cu合金纳米线还可以构建成高灵敏的无酶葡萄糖传感器。 .（5）在0.1- 400000 V/m电场范围内，金钯合金纳米线中Pd的成分随着场强的增加而增长，增加交流电的频率，也能增大合金中钯成分。场强和频率能改变微电极表面双电层的结构从而影响合金纳米线的成分，纳米线的生长规律符合M-W理论。钯金合金纳米线结构中，金诱发钯晶格膨胀与氢的吸附引起的相位和应力变化的优化平衡，传感性能与生长机制相关，决定了氢检测装置的高灵敏度。 .项目研究揭示了纳米线的合金成相机制和结构，找到了纳米线的结构与对特定物质的传感性能关系，达到了预期目标。公开发表了8篇高影响因子SCI论文，参加一次美国化学会高水平的学术年会。培养了1名博士研究生和6名硕士研究生。