金納米臍橙用于催化還原硝基酚的原位表面增強(qiáng)拉曼光譜分析

程子賀， 方 威， 楊 尹， 王小華， 沈愛(ài)國(guó)， 胡繼明

(生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

金納米材料具有高穩(wěn)定性和多相催化活性[1 - 6]，常應(yīng)用于廢液污染處理[4]、化學(xué)燃料電池[5]以及其他新型催化體系[7 - 8]。然而金納米材料的催化反應(yīng)仍有一些尚需研究的問(wèn)題：納米材料上的催化位點(diǎn)數(shù)量與催化速率的關(guān)系、共生型納米材料與混合型納米材料催化速率的異同、合金型納米材料與單晶型材料催化速率的差異等，這些問(wèn)題的解答有助于更實(shí)用的納米催化材料的設(shè)計(jì)和合成[9 - 11]。4-硝基苯酚與4-硝基苯硫酚的催化還原是具有代表性的氧化還原催化體系[12 - 15]。這兩種底物是許多反應(yīng)體系的中間體和交聯(lián)劑、也是工業(yè)廢水的主要成分。但其催化還原的反應(yīng)機(jī)理仍是學(xué)者們爭(zhēng)論不休的課題。傳統(tǒng)的原位分析手段如紫外吸收光譜提供的化學(xué)信息非常有限，而表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface -Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)分析在催化反應(yīng)的表征中具有許多優(yōu)勢(shì)：(1)拉曼譜帶的半峰寬較窄，利于多相催化反應(yīng)中的底物及產(chǎn)物的定性分析；(2)納米材料表面的局域等離子體電場(chǎng)具有較高的催化活性和選擇性，可提高特定產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率；(3)金納米材料是常見(jiàn)的SERS基底，有利于實(shí)時(shí)反映底物變化[13,15 - 17]。但實(shí)際上，粒徑小于10 nm的納米金才具有極佳的催化性能，而粒徑大于20 nm的納米金才擁有良好的拉曼增強(qiáng)效應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)及合成具有高效催化和SERS原位表征雙功能的納米材料就顯得尤為重要。

本文以一鍋法制備了高粒徑的雙功能金納米臍橙，并將其用于4-硝基苯酚和4-硝基苯硫酚催化還原反應(yīng)和原位表征，證明了該材料“小球”端點(diǎn)具有催化活性，同時(shí)考察了材料的濃度、催化位點(diǎn)、形狀對(duì)反應(yīng)速率的影響。通過(guò)比較金納米臍橙對(duì)4-硝基苯酚和4-硝基苯硫酚的催化效果，并結(jié)合SERS原位分析技術(shù)以“大球”端點(diǎn)作檢測(cè)基底，實(shí)現(xiàn)了該催化反應(yīng)的免標(biāo)記原位SERS分析，為高效催化和SERS原位表征提供了一種高復(fù)現(xiàn)性的雙功能納米材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

Zeiss SIGMA場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(英國(guó)，Carl Zeiss公司)；JEM-2100透射電子顯微鏡(日本，JEOL公司)；UV-2550紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本，Shimadzu公司)；inVia共聚焦顯微拉曼光譜儀(英國(guó)，Renishaw公司)，配備有632.8 nm半導(dǎo)體激光器及50倍長(zhǎng)焦物鏡。

HAuCl4·3H2O(99%，分析純)、檸檬酸三鈉(99%，分析純)、NaBH4(99%，分析純)、4-硝基苯酚(97%，分析純)及4-硝基苯硫酚(97%，分析純)，均購(gòu)買自阿拉丁試劑公司；AgNO3(99%，分析純)、抗壞血酸(97%，分析純)、無(wú)水乙醇(99.5%，分析純)，均購(gòu)買自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限責(zé)任公司。實(shí)驗(yàn)用水由Direct-Q 3超純水器(美國(guó)，Millipore公司)制備。

1.2 金納米臍橙的制備

1.2.1納米金種(30nm)的制備于150 mL兩口瓶中加入50 mL的超純水，500 μL的HAuCl4溶液(29 mmol/L)，在120 ℃下加熱回流至沸騰后，添加900 μL的檸檬酸三鈉溶液(38.8 mmol/L)，繼續(xù)攪拌回流20 min后停止反應(yīng)，得到酒紅色溶膠，靜置，冷卻至室溫并封口待用。

1.2.2小粒徑納米金(5nm)的制備于50 mL兩口瓶中加入25 mL的超純水，100 μL的HAuCl4溶液(29 mmol/L)，置于冰水浴中攪拌2 min，混入還原劑250 μL的NaBH4溶液(10 mmol/L)，得到棕黃色溶膠，反應(yīng)完成后補(bǔ)加適量檸檬酸三鈉溶液(38.8 mmol/L)。

1.2.3單凸起金納米臍橙的制備取4 mL新制備的30 nm金種至50 mL兩口瓶中，加入25 mL的超純水，于攪拌條件下加入25 μL的AgNO3溶液(11.8 mmol/L)和25 μL的抗壞血酸溶液(28.4 mmol/L)，室溫反應(yīng)30 min。待還原反應(yīng)完全，得到橙紅色透明溶膠。再向溶液中補(bǔ)加適量抗壞血酸后添加10 μL的HAuCl4溶液(29 mmol/L)，可看到溶液迅速變成紫紅色。持續(xù)攪拌30 min后反應(yīng)完成，于室溫下靜置，待用。

1.2.4多凸起金納米臍橙的制備吸取單凸起納米臍橙溶膠25 mL，于攪拌下混入25 μL的AgNO3溶液(11.8 mmol/L)及25 μL的抗壞血酸溶液(28.4 mmol/L)，室溫反應(yīng)30 min。隨后再添加適量抗壞血酸溶液及10 μL的HAuCl4溶液(29 mmol/L)，持續(xù)攪拌反應(yīng)30 min即得。

1.3 催化還原實(shí)驗(yàn)與表征

分別稱取4-硝基苯酚、4-硝基苯硫酚粉末0.1391 g、0.1552 g，以10 mL無(wú)水乙醇溶解配制得到濃度為10 mmol/L的底物母液。再稱取0.0378 g NaBH4粉末，溶解于100 mL超純水中，得到10 mmol/L的還原劑母液。催化實(shí)驗(yàn)中，于5 mL EP離心管中混入3 mL上述NaBH4溶液及20 μL 4-硝基苯酚或4-硝基苯硫酚母液，得到催化還原反應(yīng)液。再向反應(yīng)液中加入固定體積新制的金納米臍橙材料，立即以紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定反應(yīng)混合液的吸收光譜。

在拉曼光譜分析中，考慮無(wú)水乙醇自身具有微弱的拉曼信號(hào)，所以在4-硝基苯酚及4-硝基苯硫酚高濃度溶液分析測(cè)定時(shí)，應(yīng)以超純水為溶劑配制底物溶液[18 - 21]。向潔凈的5 mL容量瓶中加入1 mL新制備的金納米臍橙溶膠及20 μL 4-硝基苯酚或4-硝基苯硫酚母液，靜置5 min。再向反應(yīng)液中加入2 mL NaBH4溶液(10 mmol/L)，并立即以共聚焦顯微拉曼光譜儀采集溶液體系的拉曼光譜[22 - 23]。

2 結(jié)果及討論

2.1 金納米粒子的表征

本文以30 nm的金納米粒子為種子，少量Ag+被還原至金種特定晶面上，從而形成局域薄銀層，并在還原劑的作用下被隨后加入的HAuCl4腐蝕生長(zhǎng)成臍橙型凸起。將合成得到的納米材料進(jìn)行透射電鏡表征，結(jié)果如圖1所示。由圖1(A)可知，納米金種的粒徑約為30 nm。由圖1(B)可知添加AgNO3后，可觀察到金種上局域銀層的形成。待添加HAuCl4后，圖1(C)展示了所合成的單凸起納米臍橙。將已制備好的單凸起納米臍橙為種子，以與單凸起臍橙相同的金銀用量進(jìn)行重復(fù)添加生長(zhǎng)原料，即得到了多凸起的納米臍橙，如圖1(D)。結(jié)果表明，納米臍橙凸起的數(shù)量可以通過(guò)多批次添加原料來(lái)實(shí)現(xiàn)有效控制。圖2為上述各階段納米材料的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，可以觀察到單凸及多凸起金納米臍橙的吸收峰較納米金種略寬，表明粒徑變大。

圖1 納米金種(A)、銀包金球(B)、單凸起納米臍橙(C)、多凸起納米臍橙(D)的透射電鏡(TEM)圖Fig.1 TEM images of AuNPs(A)，Au@AgNPs(B),Single-bumped nano navel oranges(C),Multi-bumped nano navel oranges(D)

2.2 單凸起金納米臍橙SERS基底的穩(wěn)定性

為了考察SERS基底的穩(wěn)定性，在單凸起納米臍橙表面修飾甲酚紫分子后，用共聚焦拉曼光譜儀連續(xù)采集30個(gè)SERS光譜。所有光譜如圖3所示，將30個(gè)光譜轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度偽彩色圖，其亮白色區(qū)域表示可量化峰的位置。結(jié)果表明，甲酚紫的特征峰590 cm-1處的亮度均一，所制備的納米臍橙SERS基底穩(wěn)定性良好。

圖2 金種、單凸起及多凸起金納米臍橙的紫外-可見(jiàn)(UV-Vis)光譜圖Fig.2 UV-Vis spectra of AuNPs, single-bumped and multi-bumped gold nano navel oranges

圖3 甲酚紫修飾的單凸起金納米臍橙溶膠的SERS信號(hào)連續(xù)采集堆疊圖(30次)Fig.3 Thirty SERS spectra continuously collected from cresol purple modified single-bumped gold nano navel oranges

2.3 單凸起納米臍橙濃度對(duì)4-硝基苯酚催化還原的影響

為了探討單凸起納米臍橙的濃度對(duì)催化還原反應(yīng)速率的影響，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中納米臍橙用量分別為10 μL、20 μL和30 μL。通過(guò)觀察4-硝基苯酚在400 nm處特有紫外吸收峰的變化來(lái)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。所有的光譜為連續(xù)檢測(cè)，且每一條光譜掃描時(shí)間為55 s，由此可計(jì)算出納米催化劑的催化速率，并將所得結(jié)果列于表1。由此可知，納米材料的催化速率正比于納米材料的濃度。

表1 不同濃度納米臍橙對(duì)4-硝基苯酚的催化速率

2.4 金納米臍橙的催化性能研究

為了證實(shí)納米臍橙具有更為高效的催化效果，在4-硝基苯酚的催化還原實(shí)驗(yàn)中，還對(duì)比了相同濃度下不同形狀的納米材料的催化速率，同樣以紫外-可見(jiàn)吸收光譜實(shí)時(shí)追蹤催化反應(yīng)進(jìn)程。此處主要對(duì)比了單凸起、多凸起納米臍橙與相似粒徑的直接混合體系(大球混合小球)催化效率的異同。實(shí)驗(yàn)所涉及的納米材料包括以下幾種：(1)20 μL 多凸起納米臍橙溶膠；(2)20 μL 單凸起納米臍橙溶膠；(3)20 μL 30 nm納米金種溶膠；(4)20 μL 5 nm 納米金球溶膠；(5)10 μL 30 nm納米金種溶膠混合10 μL 5 nm納米金球溶膠。表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多凸起納米臍橙的催化速度最快，其次是單凸起納米臍橙，與小粒徑納米金球(5 nm) 的催化速率相近。結(jié)合2.1中多凸起納米臍橙的表征結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)中使用的多凸起臍橙具有兩顆或三顆凸起，即理論上多凸臍橙的催化位點(diǎn)比同濃度單凸臍橙的多一倍至兩倍，這與實(shí)驗(yàn)中相同濃度下單凸與多凸納米臍橙催化速度的倍數(shù)關(guān)系匹配。而混合體系的催化速率低于其他所有納米材料，甚至反應(yīng)未能進(jìn)行完全(4-硝基苯酚于400 nm處仍有一定強(qiáng)度的吸收)，這可能是由于不同還原劑制備的納米溶膠混合后導(dǎo)致材料發(fā)生不穩(wěn)定聚集，進(jìn)而影響了還原反應(yīng)的進(jìn)程。

表2 不同材料對(duì)4-硝基苯酚的催化速率匯總

圖4 納米臍橙催化4-硝基苯酚還原過(guò)程中的SERS圖(a、b、c：反應(yīng)過(guò)程中的SERS圖;d：4-硝基苯酚的本征拉曼光譜)Fig.4 SERS spectra during the reduction of 4-nitrophenol catalyzed by nano navel orange (a,b,c：SERS spectra during the reaction;d：intrinsic Raman spectroscopy of 4-nitrophenol)

2.5 單凸起金納米臍橙催化還原4-硝基苯酚的SERS

為了驗(yàn)證單凸起金納米臍橙能否在高效催化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)SERS實(shí)時(shí)監(jiān)控表征，即在催化反應(yīng)中將“小球”端作為催化位點(diǎn)，“大球”端作為SERS增強(qiáng)基底的可行性。在還原催化反應(yīng)的過(guò)程中以共聚焦拉曼光譜儀采集反應(yīng)體系的SERS信號(hào)，如圖4所示。4-硝基苯酚的本征拉曼譜圖為圖4d，1 347 cm-1處振動(dòng)峰歸屬于苯環(huán)上的硝基。根據(jù)催化反應(yīng)過(guò)程中的譜圖(圖4a、b、c)可知，1 004 cm-1處歸屬于苯酚基團(tuán)的振動(dòng)峰以及1 604 cm-1處歸屬于苯環(huán)基團(tuán)的振動(dòng)峰有顯著增強(qiáng)，而1 347 cm-1處硝基振動(dòng)峰沒(méi)有出現(xiàn)，說(shuō)明4-硝基苯酚已被還原，并且4-硝基苯酚分子主要通過(guò)氮元素靜電吸附于納米材料上。結(jié)果表明，所制備的金納米臍橙具有催化還原和SERS增強(qiáng)雙功能。

2.6 單凸起金納米臍橙催化還原4-硝基苯硫酚的SERS

為了測(cè)試單凸起金納米臍橙對(duì)4-硝基苯酚同型反應(yīng)物的催化效果，本文選取了4-硝基苯硫酚作為底物來(lái)考察了金納米臍橙作催化劑還原4-硝基苯硫酚的催化性能。將還原催化反應(yīng)結(jié)果圖5(A)對(duì)比圖5(B)可知，納米臍橙對(duì)4-硝基苯硫酚的還原反應(yīng)催化效果與4-硝基苯酚有很大區(qū)別。即納米臍橙能快速有效催化4-硝基苯酚的還原反應(yīng)，但無(wú)法催化4-硝基苯硫酚的還原反應(yīng)，且提高材料濃度(20 μL或1 mL)其紫外吸收光譜圖也無(wú)明顯變化。

圖5 納米臍橙催化還原4-硝基苯酚(A)和催化還原4-硝基苯硫酚(B)的紫外-可見(jiàn)(UV-Vis)光譜圖Fig.5 UV-Vis spectra of nano-navel orange catalyzed reduction of 4-nitrophenol(A) and 4-nitrothiophenol(B)

此處結(jié)合反應(yīng)前后體系的SERS來(lái)分析解釋該現(xiàn)象。如圖6所示，拉曼光譜圖中d為4-硝基苯硫酚本征信號(hào)，1 347 cm-1處為硝基苯基團(tuán)振動(dòng)峰。在加入金納米臍橙后，反應(yīng)過(guò)程中的光譜如圖6a、b、c，其中1 347 cm-1處振動(dòng)峰與本征譜相比反而強(qiáng)度增加，而新出現(xiàn)的1 147 cm-1、1 397 cm-1、1 449 cm-1處振動(dòng)峰歸屬于分子間氮氮雙鍵。靜置數(shù)小時(shí)后，此時(shí)NaBH4還原劑即便過(guò)量存在，反應(yīng)體系仍呈現(xiàn)亮黃色且SERS與圖6(c)相比沒(méi)有變化。分析可知，4-硝基苯硫酚以巰基吸附于納米材料表面，遠(yuǎn)端的硝基形成了分子間氮氮雙鍵，即4-硝基苯硫酚雖吸附在納米臍橙表面但沒(méi)有發(fā)生還原反應(yīng)生成4-氨基苯硫酚。

在實(shí)驗(yàn)條件相同的前提下，金納米臍橙對(duì)兩種相似底物的催化還原結(jié)果卻完全不同，其主要原因在于底物與納米材料的連接方式。金納米臍橙催化還原兩種底物的反應(yīng)示意圖如圖7所示。由此說(shuō)明，納米材料趨向于催化貼近于表面的基團(tuán)的反應(yīng)，而連接至材料表面的分子的遠(yuǎn)端基團(tuán)催化效果不佳，即納米材料的催化活性具有近場(chǎng)效應(yīng)。

圖6 單凸起金納米臍橙催化4-硝基苯硫酚還原過(guò)程中的SERS圖(a,b,c：反應(yīng)過(guò)程中的SERS圖;d：4-硝基苯硫酚的本征拉曼光譜)Fig.6 SERS spectra during the reduction of 4-nitrothiophenol catalyzed by single -bumped gold nano navel orange (a,b,c：SERS spectra during the reaction;d：intrinsic Raman spectroscopy of 4-nitrothiophenol)

圖7 單凸起金納米臍橙催化還原硝基酚示意圖Fig.7 Schematic of the catalytic reduction of nitrophenols by ingle -bumped gold nano navel orange

3 結(jié)論

本文以“一鍋法”合成了金納米臍橙材料，該材料可作為一種高效催化和SERS原位表征的雙功能材料。通過(guò)研究該材料對(duì)4-硝基苯酚及4-硝基苯硫酚還原反應(yīng)的催化性能，并結(jié)合SERS技術(shù)分析了催化反應(yīng)過(guò)程及異同。結(jié)果表明，納米臍橙中“大球”可作SERS基底，“小球”則具有高效的催化性能。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)材料的濃度、形狀、催化位點(diǎn)和底物結(jié)合方式對(duì)催化反應(yīng)均有影響。催化速率與納米材料的催化位點(diǎn)成正比例關(guān)系，且該材料較直接混合體系具有更高的催化活性，而納米材料對(duì)吸附在表面的基團(tuán)的催化效果更佳，對(duì)吸附分子的遠(yuǎn)端基團(tuán)催化效果極低。