基于單顆粒電化學碰撞實時監測溶液中納米金的成核生長過程

白乙艷 楊海英 秦建芳 楊剛 張艷清 彭得群

（運城學院應用化學系，運城 044300）

與宏觀物質相比，納米材料由于表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應和量子限域效應而具有獨特的光學、電學及磁學等性質。其中，納米金（Gold nanoparticles，AuNPs）作為最穩定的金屬納米材料之一，已被廣泛應用于生物醫藥[1-3]和能源催化[4-5]等領域。由于成核生長過程會極大地影響納米材料的晶體結構、尺寸和形貌等性質，而檸檬酸鈉還原法是發展最早、應用最廣泛的合成AuNPs 的方法之一，所以對其合成機理的研究較多。然而，AuNPs 的成核生長是一個復雜的熱力學和動力學過程，不同體系的合成機理也通常不同[6]。目前對于檸檬酸鈉還原法合成AuNPs 的機理仍未給出一致的解釋，因此，有必要對該體系中AuNPs 成核生長動力學過程的準確監測及合成機理開展深入研究。

傳統的原位表征納米材料的方法，如原位液體透射電鏡及紫外-可見吸收光譜等，操作過程中電子束影響、空間受限或系綜平均效應等會給測試結果帶來一定的誤差。隨著微納加工技術和分析方法的發展，高通量檢測溶液中的單顆粒成為可能[7]。其中，單顆粒電化學碰撞（Single-nanoparticle electrochemical collision，SNEC）法因具有高分辨、響應快和低成本等優點備受關注[8]，其基本原理為：當單個顆粒通過布朗運動擴散到基底電極表面甚至發生碰撞時，會阻礙電極-溶液界面電子傳遞[9]，或本身發生氧化還原反應[10]，或催化溶液中的電活性物質發生反應[11]，從而產生與單顆粒所對應的電流突變信號，通過分析信號的強度、形狀和數目可得到顆粒尺寸、形貌及濃度等信息[12-14]。近年來，SNEC 被用于監測納米材料的成核生長過程以探究其合成機理[15-20]。Glasscott 等[17]基于SNEC 對金微電極表面電沉積生成的鉑原子簇尺寸及催化活性進行了表征，發現通過調控液滴中氯鉑酸原液的濃度可有效控制所合成的鉑原子簇的大小及催化活性。Bartlett 等[18]將SNEC 與紫外-可見吸收光譜、透射電鏡等技術相結合，對由種子銀合成棱鏡狀納米銀的奧斯特-瓦爾德熟化過程進行監測，發現球型種子銀在經歷圓盤狀納米銀中間過程生成棱鏡狀納米銀后才會急劇生長，帶來原子含量上的明顯改變。

本研究采用SNEC 法對檸檬酸鈉還原法合成AuNPs 的過程進行實時監測，探究其成核生長動力學過程，其中，將氫析出反應（Hydrogen evolution reaction，HER）作為SNEC 實驗中的指示反應（見圖1）。通過對比不同反應溫度下合成的AuNPs，揭示反應溫度對其成核生長過程的影響，為可控合成以檸檬酸為配體的AuNPs 提供參考。

圖1 基于單顆粒電化學碰撞（SNEC）監測納米金（AuNPs）合成過程的示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring the synthesis process of gold nanoparticles (AuNPs) based on single-nanoparticle electrochemical collision (SNEC)

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI 660E 電化學工作站和CHI 200B 屏蔽箱及微電流放大器（上海辰華儀器有限公司）；Cary5000紫外-可見-近紅外分光光度計（美國安捷倫公司）；NanoBrook 90Plus Zeta 電位及粒度分析儀（美國布魯克海文公司）；S-4800 掃描電子顯微鏡（日本日立公司）。

碳纖維（d=7 μm）購自英國顧特服公司；檸檬酸鈉和氯金酸（分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司）；優級純H2SO4（95%～98%）和HClO4（70%）（洛陽市化學試劑廠）；H2O2（30%，天津市大茂化學試劑廠）。實驗用水為超純水（18.2 MΩ?cm）。

1.2 實驗方法

1.2.1 碳纖維微電極(Carbon fiber microelectrode,CFME)的制備

采用火焰封結玻璃密封的方法制備直徑7 μm 的CFME。先利用酒精燈加熱將硼硅酸鹽玻璃毛細管（1.15 mm O.D.，1.0 mm I.D.）拉成兩段；然后將直徑7 μm 的碳纖維穿入毛細管內，并在酒精燈上燒結，確保碳纖維被毛細管密封；在毛細管內填充石墨后，插入打磨光滑的銅絲，最后利用膠水封結銅絲與毛細管。所制備的CFME 使用前需在水虎魚溶液中浸泡約20 s，用超純水沖洗，備用。

1.2.2 AuNPs的制備

采用改良的檸檬酸鈉還原法合成AuNPs[21]。室溫下，將0.5 mL 1%（m/V）氯金酸加入到50 mL 超純水中，攪拌下加熱至95 ℃，反應5 min 后，在攪拌狀態下向其中快速加入0.3 mL 1%（m/V）檸檬酸鈉溶液，95 ℃下反應16 min。反應結束后將溶液冷卻至室溫，然后用截留分子量100 K 的超濾離心管超濾純化3 次（4000 r/min，4 min）。得到的產物重新分散在2 mmol/L 檸檬酸鈉溶液中，4 ℃儲存備用。

1.2.3 SNEC測試

將10 mL 0.8 mmol/L HClO4加入到電解池中，然后加入0.2 mL AuNPs 合成過程中所取樣品（在AuNPs 合成階段取樣后需立即用冰水冷卻，并于4 ℃保存），超聲使顆粒在溶液中分散均勻。測試時采用三電極體系，工作電極為CFME，對電極為Pt 絲電極，參比電極為Ag/AgCl（3 mol/L KCl）電極，在–0.6 V 電位下進行i-t測試（采樣間隔為3 ms）。碰撞測試時間需控制在30 min 以內以避免AuNPs 團聚對實驗結果的影響[14]。

2 結果與討論

2.1 CFME的制備及表征

本研究采用的工作電極為火焰封結玻璃密封法所制備的圓盤狀CFME（圖2A 和2B）。如圖2C 所示，其在5.0 mmol/L K3Fe（CN）6/0.1 mol/L KCl 溶液中的循環伏安（Cyclic voltammetry，CV）曲線呈“S 型”，這與微電極傳質快的特性相吻合[22]。此外，由極限擴散電流可換算得到其有效面積約為38 μm2，滿足pmol/L 濃度級的單納米顆粒檢測要求[23]。

圖2 （A）火焰封結玻璃密封法制備碳纖維微電極（CFME）的示意圖；（B）CFME 的掃描電子顯微鏡（SEM）圖；（C）CFME 在5.0 mmol/L K3Fe（CN）6/0.1 mol/L KCl 的循環伏安（CV）曲線圖，掃速為50 mV/sFig.2 (A)Schematic diagram of preparing carbon fiber microelectrode(CFME)using flame sealed glass sealing method;(B) Scanning electron microscopy (SEM) characterization of CFME;(C) Cyclic voltammogram (CV) of CFME at scan rate of 50 mV/s in 5.0 mmol/L K3Fe(CN)6/0.1 mol/L KCl

2.2 SNEC測試及電壓優化

如圖3 所示，未加入AuNPs 時，觀察不到明顯的信號，此時噪聲波動約為6 pA；加入約1 pmol/L 50 nm AuNPs 后，出現明顯的峰信號，其電流強度不小于噪聲波動的3 倍。此結果表明，所觀察到的峰信號為AuNPs 碰撞CFME 后催化析氫反應（HER）所產生的電流突變信號。

圖3 （A）加入AuNPs 前后碰撞測試i–t 圖比較；（B）圖3A 中虛線框內的局部放大圖Fig.3 (A) Comparison of the i–t curves before and after adding AuNPs;(B) Partially enlarged view within the dashed box in Fig.3A

為確保HER 反應不受電化學反應動力學控制，優化了碰撞測試時施加的電壓。如圖4A 和4B 所示，當施加電壓為–0.4 V 時，出現少量信號峰；當施加的電壓負移至–0.6 V 時，信號峰強度變大，數目明顯增多。但是，當施加的電壓繼續負移至–0.8 V 以至–1.0 V 時，信號峰強度幾乎不變，信號峰數目卻明顯減少。由文獻[24-25]可知，當納米顆粒運動到電極表面一定距離（具體取決于雙電層厚度的影響）時，納米顆粒與電極之間的靜電作用會明顯影響其在電極表面的運動行為。在本研究組的前期工作中同樣發現，改變電極電位后顆粒在電極表面運動行為會受到影響，如電極電位由負值變成正值，AuNPs 與電極之間的作用由排斥力變為吸附力，最終導致碰撞信號由峰信號轉變為臺階信號[13]?？紤]到本研究碰撞測試體系中僅含0.8 mmol/L HClO4，無外加電解質，故存在電遷移影響。因此，如果施加在CFME 上電壓太負會導致檸檬酸配體的AuNPs 與CFME 間的靜電排斥力增大，從而阻礙其靠近電極。此外，采用火焰封結方法制備了金超微電極（Gold ultramicroelectrode，Au UME，d=30 μm）[13]，通過對比CFME 和Au UME 分別作為工作電極時在0.8 mmol/L HClO4溶液中測得的CV 圖（圖4C）發現，當電壓約為–0.6 V 時，Au UME的響應電流約34 nA，而該電位下CFME 電極的響應電流幾乎為0，即不發生析氫反應。綜上，在本體系中最終選用的施加電壓為–0.6 V。

圖4 （A）不同施加電壓下50 nm AuNPs 在0.8 mmol/L HClO4 中碰撞CFME（d=7 μm）的i-t 曲線；（B）不同施加電壓下AuNPs 碰撞信號峰電流強度的比較（n=100）；（C）金超微電極（Au UME，d=30 μm）和CFME（d=7 μm）在0.8 mmol/L HClO4 溶液中的CV 圖Fig.4 (A) I-t plots of 50 nm AuNPs colliding on CFME (d=7 μm) at various potentials in 0.8 mmol/L HClO4 solution;(B) Comparison of the current intensity under different voltages (n=100);(C) CVs of gold ultramicroelectrode (Au UME, d=30 μm) and CFME (d=7 μm) in 0.8 mmol/L HClO4 solution

2.3 SNEC監測AuNPs合成過程的可行性分析

為探究SNEC 用于監測AuNPs 合成過程的可行性，在加入檸檬酸鈉溶液前后分別取樣，并在相同條件下進行碰撞測試。如圖5A 所示，在加入檸檬酸鈉前，即AuNPs 合成體系中只含HAuCl4溶液時，無明顯信號峰；加入檸檬酸鈉溶液，并在95 ℃下反應16 min 后，出現明顯信號峰，表明在檸檬酸鈉還原及配位作用下，體系中合成了一定量的球型AuNPs（圖5B），其直徑約為50 nm（圖5C）[26]。在相同條件下對加入檸檬酸鈉溶液后不同時間（2、4 和16 min）內的樣品進行碰撞測試，并隨機統計約300 個信號峰?？紤]到納米顆粒擴散系數與其尺寸成反比，導致通過SNEC 方法更容易檢測到小尺寸顆粒，因而對碰撞信號電流強度的頻數分布進行加權處理[27]。隨著反應時間延長，小信號逐漸減少，大信號逐漸增多，表明合成的AuNPs 尺寸增大（圖5D）。上述結果表明，SNEC 可用于監測溶液中AuNPs 的合成過程。

圖5 （A）檸檬酸鈉溶液加入前后碰撞測試i-t 圖；加入檸檬酸鈉溶液，并在95 ℃下反應16 min 后溶液的SEM 圖（B）和紫外-可見吸收光譜圖（C）；（D）加入檸檬酸鈉溶液加入后，反應2、4 和16 min 后所合成AuNPs 的碰撞信號電流強度加權頻數分布圖，內插圖為加權累計頻數分布比較Fig.5 (A) i-t plots before and after adding sodium citrate solution;SEM images (B) and UV-vis absorption spectra(C)of the solution after adding sodium citrate solution and reacting at 95°C for 16 min;(D)Comparison of the weighted frequency distributions of the current intensity for the synthesized AuNPs at 2,4 and 16 min after addition of sodium citrate solution,inset shows weighted cumulative frequency distributions

2.4 基于SNEC實時監測溶液中AuNPs的合成過程

將AuNPs 的合成溫度由95 ℃調整為80 ℃，反應不同時間后取樣并進行碰撞測試，發現信號峰強度及數目均隨反應時間延長而發生改變（圖6A 和6B）。如圖6C 和6D 所示，各隨機統計約300 個信號峰，并對碰撞信號電流強度的頻數分布進行加權處理，發現在加入檸檬酸鈉溶液0.5 min 后，信號峰電流強度集中分布在18～100 pA 范圍內，其中50 pA 以內的信號峰占45%，50～100 pA 范圍的信號峰占35%，而近20%的信號峰電流強度分布在100～350 pA 范圍內。SEM 表征結果證實此時體系中除了小尺寸晶核外，還包括部分納米晶體（圖7C-a），表明該體系下AuNPs 能快速成核，反應0.5 min 時已成核結束并進入生長初期。

圖6 （A）反應不同時間后所合成的AuNPs 的碰撞測試i–t 圖；（B）圖6A 的局部放大圖；反應不同時間后所合成的AuNPs 碰撞信號的電流強度散點圖（C）、電流強度加權頻數分布圖（D）、平均電流強度（E）和碰撞頻率（F）Fig.6 (A) Chronoamperometric i–t curves of the synthesized AuNPs with different reaction time;(B) Partially enlarged view of Fig.6A;Scatter plot (C) and weighted frequency distribution (D) of current intensity,average current intensity(E),and collision frequency(F)for the collision signals of the synthesized AuNPs with different reaction time

圖7 （A）反應不同時間后AuNPs 合成體系的紫外可見吸收光譜；（B）反應不同時間后所合成AuNPs的動態光散射表征；（C）反應0.5（a）、2.0（b）、8.0（c）及16.0 min（d）后所合成AuNPs 的SEM 圖Fig.7 (A) UV-vis absorption spectra of the AuNPs synthesis system with different reaction time;(B) Dynamic light scattering characterization of the synthesized AuNPs with different reaction time;(C) SEM images of the synthesized AuNPs after reacting for 0.5 (a),2.0 (b),8.0 (c) and 16.0 min(d)

如圖7A 所示，反應2.0 min 后，213 nm 處吸光度明顯下降，表明體系中較多Au（Ⅲ）被還原[28]。此時電流強度平均值明顯增加（圖6E），但100 pA 以內的信號峰卻降低至70%（圖6D），SEM 表征結果也證實小尺寸晶核變少（圖7C-b），碰撞頻率幾乎不變，這也表明此時體系中顆粒數目未增加（圖6F）。因此Au（Ⅲ）并非還原成晶核，而是在晶核表面還原使其快速生長，這與經典的單體擴散（Monomer attachment）生長機理相符。

由圖7A 可見，反應4.0 min 后，213 nm 處吸光度明顯下降，而50 pA 以內的峰信號卻降低至40%（圖6D），表明Au（Ⅲ）同樣并非被還原成晶核，而是在晶核表面還原使其快速生長。300 pA 以上的峰信號數目及電流強度平均值明顯增加（圖6D 和6E），表明出現較多大尺寸顆粒，導致測得水合粒徑高達1093 nm（圖7B）。此外，碰撞頻率發生明顯變化，由0.35 Hz 下降至0.28 Hz（圖6F）。以上結果表明，在2.0～4.0 min 內同時存在AuNPs 之間的聚合生長（Coalescence）[29]。

當反應時間進一步延長至8.0 min 時，213 nm 處吸光度持續下降（圖7A），50 pA 以內的峰信號卻明顯增加（圖6D），表明Au（Ⅲ）被還原成晶核。但是，此時碰撞頻率幾乎不變（圖6F），并且開始出現500～800 pA 的信號峰（圖6C 和6D），電流強度平均值增大至110 pA（圖6E），水合粒徑進一步增長至1250 nm（圖7B），此時同樣存在AuNPs 之間的聚合生長。

如圖6D 所示，當加入檸檬酸鈉16.0 min 后，50 pA 以內的信號峰數目增長至46%，與0.5 min 時基本相等。SEM 表征結果也證實體系中存在大量小顆粒（圖7C-d），但213 nm 處吸光度略微增加（圖7A），表明小顆粒的產生不是由于Au（Ⅲ）被還原成晶核。此外，此時開始出現800～950 pA 的信號峰（圖6C 和6D），并且水合粒徑由1318 nm 增大至1956 nm（圖7B），表明8～16 min 內可能發生了奧斯特-瓦爾德熟化（Ostwald ripening），即小顆粒在大顆粒表面溶解，從而大顆粒趨于長大。

此外，通過對比80 ℃與95 ℃時合成AuNPs 的碰撞信號電流強度隨反應時間的變化（圖6E）可知，80 ℃和95 ℃反應溫度下AuNPs 均在16.0 min 內隨反應時間延長而逐漸生長變大，并且4.0 min 前的生長速度明顯快于4.0 min 后。并且，相同反應時間下80 ℃時的電流強度明顯大于95 ℃。這是由于過冷度與臨界晶核尺寸成反比，與成核率成正比[30]，95 ℃時過冷度較大，因而臨界晶核尺寸更小，晶核數目更多，最終導致相同反應時間下合成的AuNPs 尺寸更小。

綜上可知，80 ℃下檸檬酸鈉還原氯金酸體系中，AuNPs 的合成并非完全按照經典的成核生長理論，而是在不同階段以不同方式生長，并且通常不止一種生長方式。如圖8 所示，首先經歷快速成核，并且成核所需時間不超過0.5 min；0.5～2.0 min 內，Au（Ⅲ）在晶核表面還原使其快速生長，與經典的單體擴散生長機理相符；2.0～4.0 min 內，經典的生長與聚合生長方式同時存在，即Au（Ⅲ）在晶核表面還原，此外，多個AuNPs 通過晶面連接在一起；4.0～8.0 min 內，成核與生長同時存在，Au（Ⅲ）被還原成晶核，少部分AuNPs 發生聚合生長；8.0～16.0 min 內，發生了奧斯特-瓦爾德熟化，導致小顆粒與大顆粒數目均增加。

圖8 80 ℃下的檸檬酸鈉還原氯金酸體系中的AuNPs 合成示意圖Fig.8 Schematic illustration for the deduced process of AuNPs formation in the system of sodium citrate reducing chloroauric acid at 80 ℃

3 結論

利用成核生長過程中顆粒尺寸和數目等差異對電流強度及碰撞頻率的影響，實時監測溶液中AuNPs的成核生長過程，進而對檸檬酸鈉還原法合成AuNPs 的機理進行探究。發現AuNPs 在快速成核后，首先通過經典生長方式即單體擴散，以及聚合生長方式得以快速長大，4.0 min 后通過聚合生長和奧斯特-瓦爾德熟化這兩種方式緩慢長大，同時也伴隨著成核。此外，與80 ℃相比，相同反應時間下95 ℃時所合成AuNPs 的碰撞電流強度均更小，這是由于此時過冷度較大，臨界晶核尺寸更小，晶核數目更多，最終導致相同反應時間下所合成AuNPs 尺寸更小。利用SNEC 監測納米材料成核生長過程仍處在起步階段，需進一步探究碰撞信號與顆粒性質之間的關系，進而拓展其在納米材料合成機理研究中的應用。