鉑納米膠體球激光合成及近紅外光催化治療研究取得進展----中國科學院

加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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鉑納米膠體球激光合成及近紅外光催化治療研究取得進展

2025-07-10 合肥物質(zhì)科學研究院

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近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院與意大利帕多瓦大學、上海交通大學等合作，在鉑（Pt）納米膠體球（Cs）的激光輔助合成及近紅外光催化治療研究方面取得進展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學》上。

金屬納米催化劑的性能受其d帶電子結(jié)構(gòu)影響顯著。此前研究指出，化學反應(yīng)的活化能和吸附物與催化劑表面之間的成鍵、反鍵態(tài)密切相關(guān)，而這些特性又由催化劑的d帶電子結(jié)構(gòu)決定。Pt作為一種備受關(guān)注的金屬催化劑，可通過提高其d帶電子向吸附物成鍵態(tài)轉(zhuǎn)移的效率，實現(xiàn)高效的催化過程。然而，目前直接利用近紅外光激發(fā)Pt中的d帶電子以產(chǎn)生熱電子并提升催化效率仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其核心問題在于Pt納米顆粒的光吸收能力有待提高。

為增強Pt納米顆粒的光收集能力，研究人員設(shè)計了Cs結(jié)構(gòu)，利用金屬顆粒間的光子散射效應(yīng)，提高Pt納米顆粒從可見光到近紅外波段的光吸收效率。同時，將Pt納米顆粒嵌入金屬氧化物介電基質(zhì)中，促進吸收介電表面散射的光子。研究發(fā)現(xiàn)，Pt離子與Mn₃O₄（四氧化三錳）表面發(fā)生電化學置換反應(yīng)，可形成多孔的 Pt/Mn₃O₄納米復合材料，其中Mn₃O₄作為犧牲劑，形成了負載超小Pt納米顆粒的多孔骨架。

液相激光輻照技術(shù)能在納米晶顆粒表面產(chǎn)生大量缺陷，優(yōu)化界面壓縮應(yīng)變，構(gòu)筑多晶結(jié)構(gòu)，并形成富含缺陷位點的晶界。同時，晶界產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變有助于促進Pt離子電化學置換所需的界面氧化還原反應(yīng)，這些優(yōu)勢有利于Pt元素在顆粒表面的均勻、致密分布。時域有限差分法分析結(jié)果表明，當Pt Cs表面顆粒間距小于1納米時，Pt即可獲得從可見光到近紅外的寬波段吸收能力。在近紅外光激發(fā)下，Pt Cs 的d帶電子將形成大量熱載流子，并實現(xiàn)高效氧化光催化。

基于此，研究人員通過脈沖激光輻照獲得富含晶界的Mn₃O₄納米顆粒，并將其作為理想的納米支架，與Pt離子進行電偶置換反應(yīng)，最終得到由尺寸為2.2納米的超小Pt顆粒組成的膠體球，顆粒間距僅為0.3納米。光輔助的類酶催化測試結(jié)果表明，Pt Cs通過近紅外光激發(fā)d帶電子迅速產(chǎn)生熱電子，并用于催化分解不同的酶底物分子，這為驗證近紅外光增強Pt催化過程的電子機制提供了確鑿證據(jù)。與分散的超小Pt納米顆粒相比，Pt 納米膠體球表現(xiàn)出卓越的類過氧化氫酶和類氧化酶催化能力。

此外，研究人員進一步開展了小鼠體內(nèi)腫瘤治療實驗，證實Pt納米膠體球不僅發(fā)揮了顯著的近紅外光增強的級聯(lián)催化治療功能，成功抑制了腫瘤生長，還實現(xiàn)了磁共振成像監(jiān)測腫瘤內(nèi)部的代謝情況，充分體現(xiàn)了Pt Cs作為近紅外增強型納米酶用于光催化腫瘤治療的潛力。該研究拓展了液相激光制備技術(shù)在構(gòu)筑高性能納米酶材料方面的應(yīng)用。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、安徽省重點研發(fā)計劃等的支持。

論文鏈接

Pt Cs的合成和基本表征

Pt Cs在小鼠體內(nèi)的光催化腫瘤治療

近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院與意大利帕多瓦大學、上海交通大學等合作，在鉑（Pt）納米膠體球（Cs）的激光輔助合成及近紅外光催化治療研究方面取得進展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學》上。金屬納米催化劑的性能受其d帶電子結(jié)構(gòu)影響顯著。此前研究指出，化學反應(yīng)的活化能和吸附物與催化劑表面之間的成鍵、反鍵態(tài)密切相關(guān)，而這些特性又由催化劑的d帶電子結(jié)構(gòu)決定。Pt作為一種備受關(guān)注的金屬催化劑，可通過提高其d帶電子向吸附物成鍵態(tài)轉(zhuǎn)移的效率，實現(xiàn)高效的催化過程。然而，目前直接利用近紅外光激發(fā)Pt中的d帶電子以產(chǎn)生熱電子并提升催化效率仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其核心問題在于Pt納米顆粒的光吸收能力有待提高。為增強Pt納米顆粒的光收集能力，研究人員設(shè)計了Cs結(jié)構(gòu)，利用金屬顆粒間的光子散射效應(yīng)，提高Pt納米顆粒從可見光到近紅外波段的光吸收效率。同時，將Pt納米顆粒嵌入金屬氧化物介電基質(zhì)中，促進吸收介電表面散射的光子。研究發(fā)現(xiàn)，Pt離子與Mn3O4（四氧化三錳）表面發(fā)生電化學置換反應(yīng)，可形成多孔的 Pt/Mn3O4納米復合材料，其中Mn3O4作為犧牲劑，形成了負載超小Pt納米顆粒的多孔骨架。液相激光輻照技術(shù)能在納米晶顆粒表面產(chǎn)生大量缺陷，優(yōu)化界面壓縮應(yīng)變，構(gòu)筑多晶結(jié)構(gòu)，并形成富含缺陷位點的晶界。同時，晶界產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變有助于促進Pt離子電化學置換所需的界面氧化還原反應(yīng)，這些優(yōu)勢有利于Pt元素在顆粒表面的均勻、致密分布。時域有限差分法分析結(jié)果表明，當Pt Cs表面顆粒間距小于1納米時，Pt即可獲得從可見光到近紅外的寬波段吸收能力。在近紅外光激發(fā)下，Pt Cs 的d帶電子將形成大量熱載流子，并實現(xiàn)高效氧化光催化。基于此，研究人員通過脈沖激光輻照獲得富含晶界的Mn3O4納米顆粒，并將其作為理想的納米支架，與Pt離子進行電偶置換反應(yīng)，最終得到由尺寸為2.2納米的超小Pt顆粒組成的膠體球，顆粒間距僅為0.3納米。光輔助的類酶催化測試結(jié)果表明，Pt Cs通過近紅外光激發(fā)d帶電子迅速產(chǎn)生熱電子，并用于催化分解不同的酶底物分子，這為驗證近紅外光增強Pt催化過程的電子機制提供了確鑿證據(jù)。與分散的超小Pt納米顆粒相比，Pt 納米膠體球表現(xiàn)出卓越的類過氧化氫酶和類氧化酶催化能力。此外，研究人員進一步開展了小鼠體內(nèi)腫瘤治療實驗，證實Pt納米膠體球不僅發(fā)揮了顯著的近紅外光增強的級聯(lián)催化治療功能，成功抑制了腫瘤生長，還實現(xiàn)了磁共振成像監(jiān)測腫瘤內(nèi)部的代謝情況，充分體現(xiàn)了Pt Cs作為近紅外增強型納米酶用于光催化腫瘤治療的潛力。該研究拓展了液相激光制備技術(shù)在構(gòu)筑高性能納米酶材料方面的應(yīng)用。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、安徽省重點研發(fā)計劃等的支持。論文鏈接Pt Cs的合成和基本表征Pt Cs在小鼠體內(nèi)的光催化腫瘤治療

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