浙江大学,Nature Synthesis!
纳米人 纳米人 2024-07-01

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复杂多级微结构材料在超材料、催化、传感等领域发挥着重要作用,然而它们的可控合成极具挑战。被广泛研究的限域组装和湿化学生长技术甚至还不能很好的制备仅由两种不同形状单元构成的二元结构。电沉积技术已被应用于集成电路元件互连和涂层制备领域,但其在微纳结构可控合成领域的研究甚少。区别于其它技术,电沉积技术的巨大优势是沉积物的生长行为可通过外电压即时控制,该优势使电沉积有望发展成为可控合成复杂微结构的普适便捷技术,然而在电沉积近百年历史中该优势仍未被开发利用。

近日,浙江大学杨士宽研究员、洪子健研究员和严密教授等利用上述优势,提出了复杂多级无机微结构的电化学制备策略。结合相场模拟,揭示了电压骤升时的“堆叠”和电压骤降时的“平滑”可控生长模式,通过两种生长模式的协同,获得了其它技术不能制备的近百种超复杂微结构,为复杂微结构的按需制备开辟了新的途径。发展了从电极表面选择性剥离均一微结构的技术,克服了电沉积制备微结构均一性差的致命问题。搭建了连续电沉积微结构的自动化装置,实现了复杂多级微结构的宏量制备,突破了传统电沉积电极限制生长导致的低产率局限。利用NaBH4还原Ag7O11N微结构后,获得了含有致密纳孔的银微颗粒,整个制备和还原过程未引入任何有机配体和溶剂,因而纳孔银颗粒具有洁净的表面增强拉曼(SERS)“热点”(SERS敏感区域),为洁净SERS“热点”的合成提供了新思路。此外,所制备的Ag7O8NO3微结构能够通过伽伐尼反应保形转化为磁性材料和高熵氧化物材料,在磁控微马达、催化、传感等领域具有应用前景。

上述成果以“Rational electrochemical design of hierarchical microarchitectures for SERS sensing applications”为题发表在Nature Synthesis上(链接:https://www.nature.com/articles/s44160-024-00553-1#peer-review)。
    
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图1. 电沉积逐级构造复杂微结构示意图及COMSOL和相场模拟证明其可行性。
                       
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图2. 实验验证电压骤升时的纵向“堆叠”生长模式和电压骤降时的横向“平滑”生长模式。  
              
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图3. 重复递增电压实现塔状多级结构可控合成。
                         
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图4. 选择性剥离技术从电极表面剥离递减电压制备的结构均一微鱼雷结构。
                      
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图5. 重复递减电压和选择性剥离技术制备多节微鱼雷。节数与递减电压重复次数决定,节在微鱼雷上的位置由递减电压斜率决定。  
              
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图6. 不同电压波形对应不同复杂微结构。
                       
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图7. 利用NaBH4还原Ag7O8NO3微结构,获得具有洁净SERS“热点”的银微颗粒,具有优异SERS传感性能。
                    
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图8. 利用伽伐尼反应将Ag7O8NO3复杂微结构保形转化为其它氧化物材料。

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