近期,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院與意大利帕多瓦大學(xué)、上海交通大學(xué)等合作,在鉑(Pt)納米膠體球(Cs)的激光輔助合成及近紅外光催化治療研究方面取得進(jìn)展,相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。
金屬納米催化劑的性能受其d帶電子結(jié)構(gòu)影響顯著。此前研究指出,化學(xué)反應(yīng)的活化能和吸附物與催化劑表面之間的成鍵、反鍵態(tài)密切相關(guān),而這些特性又由催化劑的d帶電子結(jié)構(gòu)決定。Pt作為一種備受關(guān)注的金屬催化劑,可通過提高其d帶電子向吸附物成鍵態(tài)轉(zhuǎn)移的效率,實(shí)現(xiàn)高效的催化過程。然而,目前直接利用近紅外光激發(fā)Pt中的d帶電子以產(chǎn)生熱電子并提升催化效率仍面臨諸多挑戰(zhàn),其核心問題在于Pt納米顆粒的光吸收能力有待提高。
為增強(qiáng)Pt納米顆粒的光收集能力,研究人員設(shè)計(jì)了Cs結(jié)構(gòu),利用金屬顆粒間的光子散射效應(yīng),提高Pt納米顆粒從可見光到近紅外波段的光吸收效率。同時(shí),將Pt納米顆粒嵌入金屬氧化物介電基質(zhì)中,促進(jìn)吸收介電表面散射的光子。研究發(fā)現(xiàn),Pt離子與Mn3O4(四氧化三錳)表面發(fā)生電化學(xué)置換反應(yīng),可形成多孔的 Pt/Mn3O4納米復(fù)合材料,其中Mn3O4作為犧牲劑,形成了負(fù)載超小Pt納米顆粒的多孔骨架。
液相激光輻照技術(shù)能在納米晶顆粒表面產(chǎn)生大量缺陷,優(yōu)化界面壓縮應(yīng)變,構(gòu)筑多晶結(jié)構(gòu),并形成富含缺陷位點(diǎn)的晶界。同時(shí),晶界產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變有助于促進(jìn)Pt離子電化學(xué)置換所需的界面氧化還原反應(yīng),這些優(yōu)勢有利于Pt元素在顆粒表面的均勻、致密分布。時(shí)域有限差分法分析結(jié)果表明,當(dāng)Pt Cs表面顆粒間距小于1納米時(shí),Pt即可獲得從可見光到近紅外的寬波段吸收能力。在近紅外光激發(fā)下,Pt Cs 的d帶電子將形成大量熱載流子,并實(shí)現(xiàn)高效氧化光催化。
基于此,研究人員通過脈沖激光輻照獲得富含晶界的Mn3O4納米顆粒,并將其作為理想的納米支架,與Pt離子進(jìn)行電偶置換反應(yīng),最終得到由尺寸為2.2納米的超小Pt顆粒組成的膠體球,顆粒間距僅為0.3納米。光輔助的類酶催化測試結(jié)果表明,Pt Cs通過近紅外光激發(fā)d帶電子迅速產(chǎn)生熱電子,并用于催化分解不同的酶底物分子,這為驗(yàn)證近紅外光增強(qiáng)Pt催化過程的電子機(jī)制提供了確鑿證據(jù)。與分散的超小Pt納米顆粒相比,Pt 納米膠體球表現(xiàn)出卓越的類過氧化氫酶和類氧化酶催化能力。
此外,研究人員進(jìn)一步開展了小鼠體內(nèi)腫瘤治療實(shí)驗(yàn),證實(shí)Pt納米膠體球不僅發(fā)揮了顯著的近紅外光增強(qiáng)的級(jí)聯(lián)催化治療功能,成功抑制了腫瘤生長,還實(shí)現(xiàn)了磁共振成像監(jiān)測腫瘤內(nèi)部的代謝情況,充分體現(xiàn)了Pt Cs作為近紅外增強(qiáng)型納米酶用于光催化腫瘤治療的潛力。該研究拓展了液相激光制備技術(shù)在構(gòu)筑高性能納米酶材料方面的應(yīng)用。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。
Pt Cs的合成和基本表征
Pt Cs在小鼠體內(nèi)的光催化腫瘤治療
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