[发明专利]一种铂单晶表面清洗及增强拉曼信号采集方法

说明书

技术领域

本发明涉及拉曼散射光谱，尤其是涉及一种铂单晶表面清洗及增强拉曼信号采集方法。

背景技术

随着经济社会的发展、全球人口的持续增加，由此所引发的能源、环境问题也日益突出。因此，寻找高效、节能和环境友好的新能源已成为各国政府与科学家们迫切需要解决的一项任务。燃料电池被认为是21世纪最有商业应用价值的一种高效的清洁能源。而在目前已知的燃料电池的催化剂中，以金属铂的催化性能最为优异，而铂电极上的催化反应的研究长期以来都是电化学领域的经典案例。在具有确定表面结构和光电场的单晶界面，详细研究单晶电极表面的界面反应过程，通过对反应中间物种种类以及吸附构型的检测，合理推断界面催化反应路径，可为改善和设计新型催化剂提供有益的指导。但常规的光谱技术很难直接获得单晶界面、尤其是铂单晶界面催化反应过程的信息。直到壳层隔绝纳米粒子增强拉曼散射光谱(SHINERS，Li,JF.et al.Shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy.Nature464,392-395(2010))的出现，才使得获得铂单晶界面的拉曼信号成为可能。在SHINERS技术中，通过制备一种新型的Au@SiO₂纳米粒子，来增强单晶界面的拉曼信号，但是在这过程中，由于制备纳米粒子需用到多种化学试剂，难免会在纳米粒子表面有残留，这就有可能干扰目标拉曼信号的采集，所以纳米粒子的制备以及组装是一个非常关键的技术。另外，在原位电化学-拉曼体系中，由于存在着界面传质和扩散的影响，如何合理把控电化学操作流程，是保证信号采集的前提保障。当然，在原位电化学拉曼采集过程中，如何判断信号的真实性也是一个必须要考虑的过程。

发明内容

本发明的目的旨在利用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱，并通过电化学析氢的方法除去单晶壳层纳米粒子表面上的的杂质，从而获得单晶表面上物种的高质量拉曼光谱，提供一种铂单晶表面清洗及增强拉曼信号采集方法。

本发明包括以下步骤：

1)合成Au纳米粒子；

2)以Au纳米粒子为核，包覆SiO₂为壳层，获得壳层隔绝纳米粒子；

3)将壳层隔绝纳米粒子组装于单晶表面；

4)利用电化学析氢方法除去单晶及纳米粒子表面的杂质；

5)利用拉曼光谱仪，采集单晶表面物种的拉曼光谱，完成铂单晶表面清洗及增强拉曼信号采集。

在步骤1)中，所述Au纳米粒子的粒径可为50～200nm。

在步骤2)中，所述壳层隔绝纳米粒子的SiO₂壳层厚度可为0.5～5.0nm，所述壳层隔绝纳米粒子在单晶上的组装密度可为亚单层。

在步骤4)中，所述电化学析氢方法除杂时使用的电解质溶液为NaClO₄水溶液，摩尔浓度为0.1～1M；所述电化学析氢方法除杂时使用的电位为-2.0～0.0V(vs.Ag/AgCl)，时间为2～60min；所述电化学析氢方法除杂过程可重复3～5次。

在步骤5)中，所述采集单晶表面物种的拉曼光谱时液层的厚度可为100～1000μm，聚焦状态为散焦5～50μm。

本发明的原理是利用壳层隔绝纳米粒子产生的电磁场增强单晶表面物种的拉曼信号。同时，通过在电化学析氢过程中，使杂质分子与析氢产生的活性氢物种反应，并随气泡从单晶表面脱离，从而获得信号强、杂质干扰小的高质量拉曼光谱图。

本发明首先通过化学法合成Au纳米粒子，并在其表面包覆一层极薄的惰性SiO₂壳层形成壳层隔绝纳米粒子。然后，将壳层隔绝纳米粒子组装于铂单晶表面，并利用电化学析氢的方法，除去单晶及纳米粒子表面的杂质。最后，将组装了壳层隔绝纳米粒子并经过除杂的单晶置于电化学拉曼池中，并优化聚焦状态、液层厚度等因素，获得单晶表面上物种的高质量拉曼光谱。

与传统的方法相比，本发明具有以下突出的优点和技术效果：

1)本发明不仅可以应用于铂单晶表面拉曼信号的获得，也适用于其他单晶电极以及多晶电极表面上高质量的拉曼信号的获得；

2)本发明中的除杂技术无损于单晶电极表面的表面结构，不会对单晶电极表面原子排布产生明显的扰动影响，能最大限度的保证电极表面的原始状态；

3)本发明中的除杂方法，同样适用于电化学催化剂表面的无损清洗，在实际应用方面具有很好的普适性；

4)本发明所使用方法具有操作简单易、可重复性高、效果优异等优点。