近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员李越课题组和北京理工大学教授曲良体课题组合作，在核壳结构的纳米材料研究方面取得新进展，研制出构筑尺寸均一的石墨烯包覆铜纳米颗粒核壳结构的复合材料，其催化效率大幅提高，是金纳米颗粒的14倍。相关研究成果以Copper composite arrays and their enhanced catalytic performance 为题，在Acta Materialia（2016, 105, 59-67）上发表。
图a与图（b）分别是铜纳米颗粒阵列和石墨烯包覆铜纳米颗粒阵列的SEM照片；图（c）与图（d）分别是铜纳米颗粒阵列和石墨烯包覆铜纳米颗粒阵列的TEM 照片；图（e）从下至上的曲线分别为铜纳米颗粒阵列、氧化石墨烯以及石墨烯包覆铜纳米颗粒阵列的拉曼图；图（f）为石墨烯包覆的铜纳米颗粒为催化剂，4-硝基苯酚还原成4-氨基苯酚的过程。 相比于单组份材料，由于核与壳的相互耦合，核壳结构的纳米材料（如以金属颗粒为核，无机或有机材料为壳）的部分性能会大幅度提高。以贵金属（铂、金、银等）纳米颗粒为核的核壳材料，被广泛应用于光学、电化学及催化等领域。然而，贵金属资源非常有限，且价格昂贵，在一定程度上制约了这类材料的大规模推广应用。而铜资源丰富、价格低廉，在某些方面具有和贵金属类似的性能，如较强的局域表面等离子共振，良好的电化学性能和催化性能等，因此铜纳米颗粒被视为贵金属纳米颗粒理想的替代者。但是，目前合成铜纳米颗粒的方法有一定局限性，例如铜纳米颗粒尺寸的均匀性差，易团聚，不宜长时间保存，容易被氧化。这些问题导致铜纳米颗粒在实际应用中受到很大的限制。
针对上述问题，研究团队采用单层的胶体晶体为模板，通过磁控溅射沉积一层一定厚度的铜膜，在还原性和保护性气氛下高温退火，成功得到平方厘米级、颗粒尺寸均一的铜纳米颗粒有序阵列。利用铜纳米颗粒的还原性和氧化石墨烯的氧化性，采用一步法在铜纳米颗粒表面制备2-3 nm厚度的石墨烯层。上述材料在对4-硝基苯酚到4-氨基苯酚的还原过程中，表现出高的催化性能和稳定性，该材料在催化过程中还可被重复利用。更重要的是，这种石墨烯包覆铜纳米颗粒核壳结构复合材料的催化效率比贵金属纳米颗粒提高很多，是现有文献报道的金纳米颗粒催化效率的14倍。上述优异的催化性能主要是由于石墨烯具有丰富的π-π 键能与4-硝基苯酚发生共轭，有利于捕捉4-硝基苯酚分子；同时，石墨烯具有高的电子迁移率，利于加速反应的进程。石墨烯壳层还可以保护铜纳米颗粒不被氧化，保持了高的稳定性。
上述研究得到了“973”项目、国家自然科学基金和中科院科技创新“交叉与合作团队”等项目的资助。
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