【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料研究團(tuán)隊與馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校吳年強(qiáng)教授團(tuán)隊合作，成功合成了三種不同晶相的具有高強(qiáng)拉曼信號增強(qiáng)性能的硼化鉬陶瓷粉體，相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Small上。
 

　　表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)技術(shù)以其快速且無損傷的檢測方式，在環(huán)境污染物監(jiān)測、食品安全檢測、化學(xué)催化研究以及分子指紋識別等多個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。然而，目前大多數(shù)的SERS材料都基于如金、銀、銅等貴金屬的局域表面等離子體共振(LSPR)效應(yīng)，這類材料成本高且物理化學(xué)穩(wěn)定性欠佳。盡管基于化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制的氧化物和半導(dǎo)體材料為SERS基底設(shè)計帶來了新的思路，但在極端條件下，如高溫和強(qiáng)腐蝕性環(huán)境，其SERS增強(qiáng)效果會大打折扣。
 

　　為此，固體所研究人員基于過渡金屬硼化物能夠耐受高溫、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿等極端條件的特點，采用研究團(tuán)隊前期提出的液相前驅(qū)體輔助碳硼熱還原法(J. Mater. Sci. Technol., 2023, 164, 229)，合成了β-MoB、MoB2和Mo2B5三種亞微米級硼化鉬陶瓷粉體。
 

　　為了驗證這些材料的性能，研究人員使用羅丹明6G(R6G)作為探針分子來評估不同晶相硼化鉬的SERS性能。結(jié)果顯示，β-MoB、MoB2和Mo2B5對R6G的極限檢測濃度分別為10-9 M、10-8 M和10-7 M，對應(yīng)的增強(qiáng)因子分別為3.56 × 105、6.25 × 104和1.50 × 103，說明β-MoB具有最好的SERS增強(qiáng)效果。此外，與常規(guī)Au、Ag納米粒子所制備的SERS襯底進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，β-MoB對R6G探針分子的SERS增強(qiáng)效果與Au接近。
 

　　通過一系列的實驗和理論計算，研究人員發(fā)現(xiàn)β-MoB之所以具有出色的SERS增強(qiáng)性能，是因為它對R6G探針分子有較高的吸附能力，并且兩者之間存在顯著的電荷相互作用。
 

　　此外，研究人員進(jìn)一步研究了強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液以及高溫氧化對硼化鉬SERS活性的影響。將硼化鉬在不同pH的溶液中浸泡處理，并在1000 °C有氧條件下氧化30 min。測試結(jié)果表明，硼化鉬暴露于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和高溫等惡劣環(huán)境時，仍表現(xiàn)出了良好的SERS效應(yīng)穩(wěn)定性。
 

　　該工作揭示了硼化鉬陶瓷的相調(diào)控方式和SERS增強(qiáng)機(jī)制，將SERS活性材料的選擇范圍從貴金屬和半導(dǎo)體拓展到超高溫陶瓷材料，有望在極端環(huán)境下的光學(xué)傳感與檢測中發(fā)揮重要作用。
 

　　以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項、合肥物質(zhì)院院長基金等項目的支持。
 

　　圖1. (a) 硼化鉬陶瓷粉體的合成過程示意圖；(b) 制備的β-MoB、MoB2和Mo2B5的XRD圖；(c) β-MoB與R6G分子的反應(yīng)示意圖；(d-h) β-MoB、MoB2和Mo2B5的TEM圖像；(e-i) β-MoB、MoB2和Mo2B5的HRTEM圖像。
 

　　圖2. (a) 不同濃度的R6G分子吸附在β-MoB上的增強(qiáng)拉曼光譜；(b) β-MoB、Au和Ag顆粒SERS襯底對所吸附10-4 M R6G分子的增強(qiáng)拉曼光譜；(c) 三種硼化鉬對R6G探針分子的增強(qiáng)因子；(d-f) 吸附在β-MoB、MoB2和Mo2B5襯底表面R6G分子的差分電荷密度和Bader電荷分布。
 

　　圖3. (a,b) 吸附了R6G分子的硼化鉬粉體在不同pH溶液中浸泡3 h后的拉曼光譜；(c) 在1000 °C下氧化不同時間的硼化鉬粉體上吸附的R6G的拉曼光譜；(d,e) 硼化鉬經(jīng)不同pH溶液浸泡后吸附的R6G分子拉曼特征峰在612 cm-1處的強(qiáng)度；(f) 1000 °C下氧化不同時間后R6G分子拉曼特征峰在612 cm-1處的強(qiáng)度。