广州大学物理与电子工程学院的潘书生教授与香港理工大学和中国科学院固体物理研究所的研究人员合作，在纯净铜纳米团簇（Cu nanoclusters）的生长及其电催化性能研究方面取得了重要进展。该研究通过提出一种表面等离激元诱导逆置换反应（plasmon-engineered anti-replacement reaction）的方法，成功生长出无配体保护的纯净铜纳米团簇。相关成果以“Plasmon-engineered anti-replacement synthesis of naked Cu nanoclusters with ultrahigh electrocatalytic activity”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上，并申请了国家发明专利（申请号201810389351.4）。
催化反应在能源、环境、化工、食品、医药等领域扮演着重要的角色。铜（Cu）作为一种具有多变化合价态的金属，在热催化和电催化等方面具有广泛的应用前景。催化剂的微观结构对反应过程有着巨大的影响。降低金属纳米材料的尺寸，增加其比表面积，有可能提高其催化活性。当金属纳米颗粒尺寸降到3纳米以下时，被称为金属纳米团簇。金属纳米团簇展现出既不同于单原子，也异于纳米材料的独特物理和化学性质，例如半导体特性、高效率荧光发射等。目前报道的金属纳米团簇大部分都是具有表面配体保护的结构。然而，配体的存在可能会影响其催化性能。因此，开发无配体保护的纯净金属纳米团簇具有重要的科学意义和应用价值。
表面等离激元诱导逆置换反应
研究团队提出了一种新颖的表面等离激元诱导逆置换反应方法，用于生长无配体保护的纯净铜纳米团簇。该方法利用脉冲激光辐照金（Au）纳米颗粒与氯化铜（CuCl₂）混合溶液。在表面等离激元光激发下，金纳米颗粒产生能量高于费米能级的热电子。部分热电子的能量大于Cu²⁺/Cu还原电位，从而将Cu²⁺离子还原成铜纳米团簇。由于绝大部分热电子局域分布在金颗粒表面1~10纳米附近，仅有这些局域空间的Cu²⁺离子能够接收到热电子并被还原，最终形成尺寸为2纳米的铜纳米团簇。整个反应过程不需要有机配体参与，过剩热电子有效地避免了铜纳米团簇之间的相互聚集。
荧光特性研究
在350纳米紫外光激发下，铜纳米团簇发出450纳米波长的蓝色荧光，表现出典型的金属团簇特性。这一发现表明，纯净铜纳米团簇在荧光标记等领域具有潜在的应用价值。
电催化性能测试
研究团队进一步进行了氧还原反应（ORR）实验，以评估铜纳米团簇的电催化性能。实验结果表明，在电压为0.9伏时，单位质量铜纳米团簇催化剂的还原电流为0.73 A/g，显著高于目前表面配体保护的铜纳米团簇电催化剂，并且优于目前商用的铂（Pt）催化剂（0.17 A/g）。铂虽然是最好的ORR催化剂，但其高昂的成本制约了燃料电池技术的发展和商业化进程。该研究结果表明，纯净铜纳米团簇在燃料电池中展现出巨大的应用潜力。
纯净铜纳米团簇的合成
通过表面等离激元诱导逆置换反应，研究团队成功合成了尺寸为2纳米的纯净铜纳米团簇。这一方法无需有机配体参与，避免了团簇之间的相互聚集，为无配体保护金属纳米团簇的合成提供了新思路。
荧光特性
铜纳米团簇在紫外光激发下发出蓝色荧光，表现出典型的金属团簇特性。这一发现为其在荧光标记等领域的应用提供了可能性。
电催化性能
铜纳米团簇在氧还原反应中表现出优异的电催化性能，其还原电流显著高于表面配体保护的铜纳米团簇和商用铂催化剂。这一结果表明，纯净铜纳米团簇在燃料电池等能源领域具有重要的应用潜力。
该研究通过提出表面等离激元诱导逆置换反应的方法，成功合成了无配体保护的纯净铜纳米团簇，并揭示了其在荧光标记和电催化领域的潜在应用。特别是其在氧还原反应中的优异性能，为燃料电池技术的发展提供了新的催化剂选择。该研究不仅具有重要的科学价值，还具有广泛的应用前景。
新颖的合成方法
表面等离激元诱导逆置换反应为无配体保护金属纳米团簇的合成提供了新方法。
优异的电催化性能
纯净铜纳米团簇在氧还原反应中的性能显著优于现有催化剂，具有重要的应用潜力。
荧光特性
铜纳米团簇的蓝色荧光特性为其在荧光标记等领域的应用提供了可能性。
该研究得到了国家自然科学基金面上项目、广州大学百人计划启动项目、香江学者计划、深圳市科技计划等经费支持。相关论文信息：DOI:10.1039/c8ta06789a。
通过该研究，潘书生教授及其团队为金属纳米团簇的合成及其在能源和荧光领域的应用提供了新的思路和方法，具有重要的科学和实际意义。