声-固相互作用增强接触电催化制备等离子体银颗粒用于SERS检测研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Plasmonic Silver Particles Reduced by Contact-Electro-Catalysis with Acoustic-Solid Interaction Mechanism for Enhancing SERS Detection

本研究针对接触电催化(CEC)中声-固相互作用规律不明确的问题，通过声学模拟和实验验证，揭示了PTFE颗粒通过增强局部声压和调控驻波声场突破空化阈值的作用机制。研究显示添加PTFE颗粒可使正负声波振幅分别提升16.22倍和25.53倍，甲基橙(MO)降解动力学常数达到2.489 h-1·(g·L-1)，较无颗粒体系提高9倍以上。基于CEC原位还原制备的PTFE-Ag复合材料成功实现环丙沙星(10-3 mol/L)的高灵敏SERS检测，为环境修复和污染物检测提供了新策略。

　　

在环境催化领域，机械催化技术正以其独特的能量转化方式引发广泛关注。其中，接触电催化(Contact-electro-catalysis, CEC)作为一种新兴的机械催化技术，通过液-固或液-液界面间的接触起电效应驱动电子转移，实现有机污染物降解、贵金属还原和清洁能源转化等重要反应。然而，超声与颗粒之间的相互作用规律尚未明确，这严重制约了CEC技术的进一步优化和应用拓展。

近日发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究论文"Plasmonic Silver Particles Reduced by Contact-Electro-Catalysis with Acoustic-Solid Interaction Mechanism for Enhancing SERS Detection"针对这一关键问题展开了深入探索。该研究由阜阳师范学院化学与材料工程学院的周子钰、张盛等研究人员完成，他们创新性地提出了声-固相互作用机制，系统阐明了超声-惰性颗粒协同效应在CEC过程中的核心作用。

研究人员采用甲基橙(Methyl Orange, MO)溶液作为染料探针，以惰性聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)颗粒为研究对象，通过声学模拟与实验验证相结合的方法，揭示了PTFE颗粒对声场特性的调控规律。研究发现，这些微米级颗粒能够显著增强局部声压，有效调控驻波声场分布，从而突破空化阈值产生更强的超声空化效应。与无颗粒体系相比，添加PTFE颗粒后正声波振幅提升16.22倍，负声波振幅更是增加25.53倍，这种显著的声场增强效应为CEC反应提供了更优越的高能微环境。

在技术方法层面，本研究主要运用了声场模拟技术、动力学常数测定、材料表征分析以及表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)检测等关键技术。通过系统研究不同粒径PTFE颗粒(0.2-15.0 μm)在超声场中的行为特性，结合降解动力学实验，建立了声-固相互作用的定量关系。同时利用X射线衍射等技术对CEC原位还原制备的银基材料进行晶体结构表征，验证了其高结晶度和均匀分布特性。

Ultrasonic assisted inert particles for CEC

研究团队通过声学模拟发现，在周期性超声激励下，具有不同摩擦电特性的惰性颗粒（如尼龙66、PTFE和SiO₂）在水中发生剧烈碰撞和摩擦，从而触发电子转移过程。PTFE颗粒的存在不仅增强了局部声压，更重要的是改变了驻波声场的分布特征，这种声场调制效应使得空化阈值得以突破，为CEC反应创造了更有利的条件。

Conclusions

实验结果表明，在超声-PTFE颗粒协同作用下，MO溶液的降解动力学常数达到2.489 h^-1·(g·L^-1)，这一数值是无颗粒体系的9倍以上。值得注意的是，PTFE颗粒在多次循环使用中表现出优异的结构稳定性和催化性能保持能力，这为其实际应用提供了重要保障。通过CEC原位还原技术成功制备的PTFE-Ag复合材料中，银元素呈现高度结晶和均匀分布特征，基于该材料的SERS技术实现了对环丙沙星(10^-3 mol/L)的高灵敏检测，证实了其在环境污染物检测方面的巨大潜力。

Preparation of organic molecular solutions

在材料制备方面，研究人员通过精确控制实验条件，系统优化了PTFE颗粒的添加量和粒径分布对CEC效果的影响。研究发现，适当粒径的PTFE颗粒能够在超声场中达到最佳的运动状态，从而最大化声-固相互作用效果。这种粒径效应与声场参数的协同优化，为CEC技术的工艺条件选择提供了重要参考依据。

本研究的重要意义在于首次从声-固相互作用的角度揭示了CEC的增强机制，建立了超声参数、颗粒特性与催化性能之间的定量关系。所提出的声场调制理论不仅深化了对CEC物理化学机制的理解，更为机械催化技术的优化设计提供了理论指导。特别是通过CEC原位还原制备的贵金属复合材料在SERS检测方面的成功应用，拓展了该技术在环境监测领域的实用价值，为实现绿色、高效的污染物降解与检测一体化解决方案提供了新思路。

该研究工作的创新性体现在多个层面：在理论层面提出了声-固相互作用机制，在技术层面开发了高效的CEC原位还原工艺，在应用层面实现了环境污染物的高灵敏检测。这些成果不仅推动了CEC技术的发展，也为相关领域的研究提供了可借鉴的研究范式和方法学支持。未来，基于声-固相互作用原理的催化技术有望在环境修复、能源转化和分析检测等领域发挥更重要的作用。