最近的研究结果表明,由于3C-SiC纳米晶复杂的表面结构和表面特性, 使得其在光电化学水解制氢、生物荧光标签和pH检测等方面具有重要的应用前景.

这项名为《水分子和3C-SiC纳米晶表面的相互作用》的综述性研究论文发表于SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2014年第5期, 从分子层面上研究了水溶液中的3C-SiC纳米晶的表面特性及其在光电化学水解制氢和生物荧光标签及pH探测等方面的研究进展和突破, 该论文由南京大学物理学院吴兴龙教授担任通讯作者, 与合作者赵普琴博士后等共同撰写.

SiC是一种非常有前途和有重要应用价值的半导体材料, 由于SiC具有机械性能稳定, 生物兼容性以及类似于Si的成熟的制备技术, 所以已经引起了相关科学家的广泛关注. SiC纳米颗粒的最外层包含有Si或C原子, 在不同的环境中, 特别是液体环境中, 展现出了复杂的表面化学结构. 这种复杂的表面结构非常有利于与其它生物配位体连接而实现其功能化. 3C-SiC量子点在水溶液中具有稳定、可调谐且随pH值线性变化的发光特性, 特别是无毒性, 使得它非常适合于做生物荧光标签和pH探针, 比如用3C-SiC量子点标记人类胎儿的造骨细胞(hFOB cells)(如图1); 对于超小的SiC纳米颗粒, 其表面具有非常高的电催化活性, 这一基于3C-SiC纳米晶表面的自催化效应的研究, 从分子层面揭示了在3C-SiC纳米晶表面获得高效率的水解制氢的物理机制(如图2), 而氢气是可循环利用的清洁能源, 对于解决未来的能源危机具有非常重要的意义.

图1   3C-SiC标记得人类胎儿的造骨细胞的荧光显微图像

Figure 1  (a,b) Fluorescence microscope images of 3C-SiC nanocrystal-labeled hFOB cells.

图2 (左图)3C-SiC 纳米晶薄膜在一定作用势下的电流-时间曲线, 插图是该薄膜电极产生氢气的数字图像. (右图)3C-SiC纳米晶薄膜电极水解制氢的物理机制示意图.

Figure 2 (left figure) Current-time plot of the ultrathin 3C-SiC nanocrystal film electrode at certain applied potential. The inset shows two digital pictures of the 3C-SiC nanocrystal film electrode emitting hydrogen (right figure). Schematic illustration of the mechanism explaining the electrocatalytic HER on the uitrathin 3C-SiC/GC electrode.

该研究从水分子与固体表面的相互作用出发, 分析了3C-SiC纳米晶与水分子之间的作用机制, 并由此也说明了水资源在国民生产和生活中的重要作用.

       该研究得到了国家基础研究计划项目(批准号: 2011CB922102, 2013CB932901)和国家自然科学基金资助项目(批准号: 11374141), 以及江苏省高校自然科学基金(批准号: 12KJB140007)的资助.

来源论文:

Zhao P Q, Zhang Q Z, Wu X L. Interaction between water molecules and 3C-SiC nanocrystal surface. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2014, 57(5): 819-828

论文链接:  

http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/abstract/abstract508763.shtml