单个拓扑绝缘体纳米材料的电催化活性的免标记成像研究

Topological insulator is an interesting insulator with exotic metallic state on its surface. It has been considered as one of the most promising candidates for electrocatalysts due to the large surface area to volume ratios, excellent electron transportation and robust surface state. Researchers have revealed that the topological insulator nanosheets can significantly improve the electrocatalytic efficiencies, as the electrocatalysts or the support for other metal catalysts. However, the catalytic mechanism and the synergistic effect with other catalysts are not clear. In this project, by employing the surface plasmon resonance microscope as a label-free imaging method, the catalytic mechanism of the topological insulator at single nanomaterials level will be investigated. We will try to improve the spatial resolution of the SPR in the light of single molecule fluorescence super resolution method, so that it can be used to identify the active centers of the nanomaterials. Combining with the characterizations on the morphology and the composition of the topological insulator at the same location, the relationship between the active centers and the exact structures can be revealed, allowing the clarification of the underlying catalytic mechanism experimentally.

拓扑绝缘体是一类体内为绝缘态，而表面呈现出金属性质的特殊绝缘体。拓扑绝缘体纳米材料具有很大的比表面积，良好的表面电子传递能力和稳定的表面电子态，该类材料在电催化领域有重要的潜在应用。研究表明拓扑绝缘体纳米材料可以作为高效的电催化剂或者催化剂负载材料，显著地提高电催化反应效率，但其催化反应机理还不清楚。本项目将利用表面等离子共振（SPR）显微镜这一免标记成像手段在单个纳米材料的水平上研究拓扑绝缘体纳米材料的催化反应机理。通过借鉴单分子荧光超分辨成像的技术特点，提高SPR显微成像的空间分辨率，实现单个纳米材料的催化活性位点的分析。结合对材料的形貌结构和组成成分的表征，研究绝缘体纳米材料的催化反应活性与结构之间的关系，为澄清拓扑绝缘体纳米材料在催化反应过程中的作用机理提供重要的实验依据。

拓扑绝缘体是一类体内为绝缘态，而表面呈现出金属性质的特殊材料。拓扑绝缘体纳米材料往往局域二维纳米结构，具有很大的比表面积，良好的表面电子传递能力和稳定的表面电子态，该类材料在电催化领域有重要的潜在应用。研究表明拓扑绝缘体纳米材料可以作为高效的电催化剂或者催化剂负载材料，显著地提高电催化反应效率，但其催化反应机理还不清楚。本项目将利用表面等离子共振显微镜这一免标记成像手段在单个纳米材料的水平上研究拓扑绝缘体纳米材料的催化反应机理。同时结合拉曼光谱、原子力显微镜实现其微观形貌和组成成分的表征，从而实现单个纳米材料的催化活性位点的分析。本项目考察了包括石墨烯、硒化铋和硫化钼在内的二维拓扑绝缘体纳米材料，研究表明该类纳米材料的边缘为实际的电催化活性中心；表面的褶皱可引起催化反应活性的高度异质性；表面掺杂并没有增加催化活性位点，其作用是通过协同作用提升反应前驱物的浓度从而提升材料的催化活性。该研究结果对于有助于理解绝缘体纳米材料的催化反应活性与结构之间的关系，为澄清拓扑绝缘体纳米材料在催化反应过程中的作用机理提供重要的实验依据。同时，该光学平台的构建也为其它纳米材料的电化学反应机理的研究，新电化学反应机理的发现提供了强大的检测平台。