基于同步辐射研究纳米气泡的电化学方法的发展

Whether nanoscale gas bubbles at solid/liquid interface exist or not,and their stability mechanisms, because of their significance and potential application in the fields of the industry, biology, medicine, and environment,have become very hot topics researched by many researchers. Based on the advantages of research experiences before, this project intends to establish the electrochemical method producing controllably nanometer gas bubbles by combining advanced soft X-ray microscopic technology advantages, such as nano scale spatial imaging resolution and high energy resolution of the chemical elements near edge absorption spectrum.These results will provide the most direct chemical evidence for nanometer gas bubbles,clarify the mechanism of nanobubbles and reveal the special properties of gas accumulation at nanometer scale. Researching the absorption of nanometer bubbles in the carbon nanotubes will be helpful for the potential applications of nano bubbles in the repairing of pulluted water.At the same time,it will be expected to establish the experimental platform of electrochemical method combining with nano imaging of synchrotron radiation for light source users with better service in the fields of energy and environments.

固/液界面纳米气泡是否真实存在及长寿命的稳定机制，由于其在工业，生物，医学和环境等领域中的重要意义和潜在应用，已成为多学科科研工作者的研究热点。本项目基于纳米气泡前期研究的优势，拟建立电化学可控产生纳米气泡的方法，结合先进的软X射线显微技术优势，如纳米尺度的空间成像分辨率及高能量分辨的化学元素近边吸收光谱，为纳米级气泡真实存在提供最直接的化学证据，以期能够阐明纳米气泡的稳定机制，揭示微观气体聚集的特殊规律；研究纳米气泡在碳纳米管内的吸附情况，为纳米气泡在环境水污染修复方面的应用奠定坚实的基础；期望建立电化学方法和同步辐射纳米成像相结合的实验平台，为光源用户在能源和环境方面的研究提供更好的服务。

纳米级的气泡在固/液界面的吸附和稳定性将影响界面的化学反应和界面性质，受到工业，生物和环境领域的密切关注。最近在环境水处理，医学检测方面的重要应用，纳米气泡界面性质的研究已经成为前沿研究的热点。本项目基于同步辐射技术和原子力显微等先进纳米技术，通过电化学方法可控产生氧气/氢气纳米气泡，利用STXM技术对纳米气泡在固体表面吸附情况进行观测和元素近边吸收谱（NEXAFS）进行化学成分的检测；利用先进的原子力显微技术研究了不同亲疏水性基底上纳米气泡性质，发现它们在不同表面的接触角，尺寸等和宏观接触角的变化一致，表面疏水性越强，纳米气泡的接触角越大；首次对界面纳米气层进行了定量纳米力学性质测量，发现纳米气层的硬度随着乙醇浓度的增加而减小；通过改变乙醇水溶液中的乙醇浓度，发现纳米气泡的高度随乙醇浓度的增加而略微增大，而其横向尺寸随溶液乙醇浓度的增加而略微减小；纳米气泡的表面张力约是对应宏观溶液表面张力的一半；表面张力和接触角都随乙醇浓度的增大而减小。以上重要实验结果，给出了纳米气泡的产生机制和基本的界面物理性质，为证明纳米气泡的真实存在提供了直接证据；另外，建立了电化学方法和STXM技术相结合的同步辐射实验平台并辅助用户进行了氨基酸溶于氯化铜溶液的溶解度机理研究。