3纳米空间分辨率!针尖增强拉曼光谱(TERS)再立“新功”

　　为了更加合理地设计高性能的多相催化剂，科学家们不再满足于整体催化机理的研究，他们需要从原子、分子水平来了解单个活性位点的电子结构与催化性能之间的关系。近些年来，扫描探针显微镜与拉曼光谱联用的针尖增强拉曼光谱(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy，TERS)，可以同时提供表面形貌与拉曼光谱信息，并可达到亚纳米级的空间分辨率，这使得科学家们可以在纳米尺度甚至原子尺度来表征催化剂表面结构与性质之间的关系。

TERS装置图及原理。图片来源：Nature Nanotech.

　　日前，厦门大学任斌教授(点击查看介绍)团队采用TERS技术成功地以3 nm的空间分辨率对Pd/Au(111)双金属催化剂表面进行成像，得到了该催化剂表面不同位点电子结构与催化活性之间的关系。相关成果已发表于Nature Nanotechnology杂志，共同第一作者是钟锦辉博士和金曦。(Probing the electronic and catalytic properties of a bimetallic surface with 3 nm resolution. Nature Nanotech., 2016, DOI:10.1038/NNANO.2016.241)。

任斌教授。图片来源：厦门大学

　　在TERS中，由Au或Ag组成的尖端由扫描探针装置控制，以亚纳米的精度在样品表面进行扫描。当尖端金属被激光激发而产生局部表面等离子共振效应时，在探针与样品表面之间会产生强烈的电磁场，由此所得样品的拉曼信号会被大幅增强。本工作中，研究人员采用电化学欠电位沉积法在Au(111)单晶表面沉积单原子的Pd层，再以异腈苯(phenyl isocyanide，PIC)为拉曼探针分子(异腈苯被催化氧化成异氰酸苯酯)，通过TERS技术获得不同位点处的电子性质与催化性质，从而来研究两者间的内在联系。

　　本研究TERS示意图。图片来源：Nature Nanotech.

　　研究人员通过控制Pd单层的覆盖量，可以使Au(111)表面进行完全单层覆盖(full monolayer coverage)与80%单层覆盖(0.8 monolayer coverage)，分别标记为PdML/Au(111)和Pd0.8ML/Au(111)，由扫描隧道显微镜(STM)图像可以看出，Pd0.8ML/Au(111)表面由连续性的Pd单层以及Au空穴组成。

　　Au(111)、PdML/Au(111)以及Pd0.8ML/Au(111)的STM图像。图片来源：Nature Nanotech.

　　接着，研究人员进一步对Pd0.8ML/Au(111)表面进行TERS表征，并惊喜地发现发现台阶边缘处(step edge)的TERS信号相比于平台处(terrace)更强，这可以通过台阶边缘处有效曲率半径减少引起的避雷针效应，以及电荷累积产生的等离子效应来解释。借助于台阶边缘处TERS信号的增强，空间分辨率能够提升到3 nm。

在催化剂不同位点处的拉曼信号。图片来源：Nature Nanotech.

　　此外，研究人员还发现，与吸附在Pd平台处的异腈苯分子相比，吸附在Pd台阶边缘处的分子N≡C键削弱，振动频率降低，更容易发生氧化。对此结果，研究人员采用理论计算进行了验证。计算结果表明，与平台处相比，台阶边缘处的金属与异腈苯分子之间有着更强的d-π*反馈作用，这极大削弱了N≡C键，因而使得台阶边缘处的催化活性更高。

　　理论计算比较不同位点处的态密度(DOS)。图片来源：Nature Nanotech.

　　来自美国西北大学(Northwestern University)的Guillaume Goubert教授和Richard Van Duyne教授在同期Nature Nanotechnology 撰写了题为“Raman Spectroscopy: Tipping point”的评论，认为此项成果证明了“TERS可以在原子水平解析催化剂表面的结构与活性关系”，有望发展成为“多相催化的一种主要分析技术”。同时他们也提到了未来TERS发展所面临的挑战，“科学家还需要努力提高TERS对基底及吸附物的普适性，即不限于Au或Ag金属以及芳环大分子。”