中物院成都科技中心唐昶宇/西南交大范美坤Small: 等离子共振驱动的光化学还原反应用于超疏水表面绿色制备

仿生超疏水表面具有自清洁、防水、抗菌粘附、分析物浓缩等优异特性，在环境、医疗、生物等领域受到广泛关注。其制造需要低表面能成分与微纳米粗糙结构的结合。然而，现有超疏水表面制造方法比较复杂，涉及多步处理和大量的有机溶剂以及有毒的碳氟化合物，会对人类健康和环境造成危害。例如使用有毒的氟硅烷有机分子用于降低微纳结构表面能。水基加工是近年来发展起来的一种绿色制备超疏水表面的方法，该方法引入了亲水性分子来分散纳米粒子，但残留的亲水基团会损害涂层的超疏水性和耐水性。因此，急需要一种简单、有效、环保的方法来制备稳定的超疏水表面。

针对上述问题，中物院成都科学技术发展中心唐昶宇研究员与西南交通大学范美坤教授合作，提出了一种紫外光诱导纳米银表面局部等离子共振（LSPR）驱动的光化学还原反应方法（图1），用于绿色制备稳定的超疏水纳米银涂层，制备过程在水溶液状态下进行，无需使用额外的疏水改性剂或其他苛刻的处理。该方法使用银氨水溶液和水溶性葡萄糖（还原剂）在80℃超声处理下，通过银镜反应在砂纸基材上生成粗糙纳米银涂层。随后，纳米银涂层（作为催化剂）在仅仅5 min 紫外（UVA）照射后，导致Ag NPs涂层表面润湿状态由亲水转变成超疏水，这是由于 LSPR驱动的光化学反应使银表面吸附的亲水分子(葡萄糖/葡萄糖酸铵)脱氧还原形成疏水性分子（图3）。该方法成功解决了水溶液法制备超疏水涂层残留亲水基团导致稳定性差的难题。

该研究结合多种表面检测手段深入揭示了紫外光诱导纳米银涂层转变为超疏水的机理（图3）。FTIR与XPS光谱表明在UVA照射过程中，Ag NPs 上的残留吸附物发生了化学结构变化，亲水基团显着减少，疏水性C─H成分增加。TD-GC-MS结果证明了Ag NPs的存在加速了UVA照射下葡萄糖的光化学反应，并产生大量非极性碎片。这些疏水片段吸附在纳米银上，可以降低纳米银涂层的表面能，形成超疏水表面。

由于很低的残留亲水官能团和Ag NPs吸附物形成的交联结构，Ag NPs涂层在暴露于空气和水时均可以保持稳定的超疏水性。该涂层用于水性分析物浓缩，灵敏度至少提高2个数量级，在痕量分析物检测中表现出优异的SERS性能。该工作首次展示了UVA区域下等离激元驱动的光化学还原反应用于构建超疏水表面，不仅为通过绿色加工调节表面润湿提供了一种新思路，表面分析物浓缩能力的增强也为灵敏分析方法和医疗诊断带来了巨大的发展前景。

相关成果以“Plasmon-Driven Photochemical Reduction Reaction on Silver Nanostructures for Green Fabrication of Superhydrophobic Surface”为题发表在材料科学权威期刊Small上（DOI: 10.1002/smll.202303536）。该论文第一作者为西南交通大学与中物院成都科学技术发展中心2020级联合培养博士生晁生茂，西南交通大学地球科学与环境工程学院范美坤教授与中物院成都科学技术发展中心唐昶宇研究员为共同通讯作者，曲阜师范大学物理工程学院张永政教授参与了该工作的指导。

图1. 超疏水Ag NPs涂层的制备和反应机制。（来源：Small）

图2. Ag NPs涂层的表面润湿性转变。（来源：Small）

图3. UVA照射前后Ag NPs涂层的表面化学状态变化。A）UVA照射葡萄糖和Ag NPs涂层的FTIR光谱。B）Ag NPs涂层在UVA照射前后的C1s高分辨率XPS光谱和C）全扫描光谱。D）UVA 照射下Ag NPs 涂层的TD-GC-MS总离子色谱图。（来源：Small）

图4. 超疏水Ag NPs涂层的SERRS放大性能。（来源：Small）

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