宏观块材铜是一种应用最广泛的金属之一，以其优异的导电性和独特的颜色而闻名。

• 优异的导电导热性: 铜的电导率和热导率仅次于银，但成本远低于银，是电线电缆和散热器的标准材料。
• 易于氧化: 与金、银等贵金属不同，铜的化学性质较为活泼，在空气中很容易被氧化，表面会形成一层氧化铜（CuO/Cu₂O）而失去光泽。

当铜的尺寸缩小到纳米尺度时，其催化性能被极大地放大，但其易于氧化的缺点也变得更为突出。

• 尺寸依赖的催化活性: 这是铜纳米颗粒最核心的特性。当尺寸缩小到纳米级别，其巨大的比表面积和高比例的低配位数原子（角、边原子）使其在多种重要化学反应中表现出卓越的催化活性。
• 局域表面等离激元共振 (LSPR): 纯的铜纳米颗粒在~560-600 nm处有LSPR吸收峰，使其胶体呈现红/紫色。然而，这个特性极不稳定，表面的轻微氧化就会导致LSPR峰的急剧衰减、红移或消失。因此，铜纳米颗粒很少被用于等离激元光学传感。
• 极易氧化: 纳米颗粒巨大的比表面积使其与空气的接触面积急剧增大，导致其氧化速率比块材铜快得多。防止氧化是所有铜纳米颗粒研究和应用中必须解决的首要挑战。

对于铜这种廉价但易于氧化的金属，通过构建核-壳结构或与其它金属形成合金，是提高其稳定性和构建低成本高性能催化剂的最核心策略。

核心应用: 利用廉价的铜纳米颗粒作为“核”，在其表面精确地包覆上一层功能性的贵金属（如Au, Pt, Pd）“壳”。

• 铜@铂/钯 (Cu@Pt/Pd): 这是降低昂贵的铂/钯催化剂成本的最有效策略之一。这种核-壳催化剂，其表面几乎全是铂/钯原子，催化活性极高，但贵金属的用量却大大减少。此外，铜核对壳层产生的应变效应和配体效应，甚至可以使其催化活性超过纯的铂/钯纳米颗粒。
• 铜@金/银 (Cu@Au/Ag): 在铜核表面包覆一层化学惰性的金或银壳，可以有效地保护铜核不被氧化，从而获得一种稳定的、低成本的导电或光学材料。

目标: 将一种或多种其它金属原子（如Au, Pd, Zn）掺入铜的晶格中，形成合金纳米颗粒，以精细调控其催化性能。

• 铜-钯合金 (Cu-Pd): 在多种催化反应中表现出优于纯金属的协同效应。

铜纳米颗粒是现代有机合成化学和能源催化中应用最广泛、最重要的非贵金属催化剂之一。

这是铜纳米催化剂最独特、最重要的应用，是实现“碳中和”和“人工光合作用”的关键技术。

• 独特的产物选择性: 在所有单质金属中，铜是唯一能够将CO₂深度还原为高价值的多碳（C₂₊）产物（如乙烯、乙醇）的催化剂。其它金属通常只能将CO₂还原为CO或甲酸。
• 形貌依赖性: 铜纳米颗粒的形貌（如立方体、八面体）和暴露晶面，对其CO₂还原的产物选择性有决定性的影响。

铜（I）催化的叠氮-炔环加成反应（CuAAC）是“点击化学”的代表，其实用性获得了2022年诺贝尔化学奖。

• 应用: 铜纳米颗粒（及其氧化物）可以作为一种高效、易于回收的非均相催化剂，用于催化该反应，在药物合成、生物分子标记和材料科学中具有巨大应用。

• Ullmann偶联反应: 传统的Ullmann偶联反应需要使用化学计量的铜粉且反应条件苛刻。铜纳米颗粒可以作为高效催化剂，在更温和的条件下实现该反应。
• 甲醇合成: 工业上，铜基催化剂（Cu-ZnO-Al₂O₃）被用于将合成气（CO+H₂）大规模转化为甲醇。

由于其LSPR光学特性不稳定且存在细胞毒性，纯铜纳米颗粒（CuNPs）很少用于生物成像。然而，其卓越的电催化活性使其在电化学生物传感领域，特别是无酶葡萄糖传感方面，具有巨大的应用价值。

这是CuNPs在生物传感领域最核心、最广泛的应用。

• 原理: 与需要昂贵、不稳定的葡萄糖氧化酶（GOD）的传统血糖仪不同，铜（及其氧化物）纳米颗粒修饰的电极，可以在碱性介质中直接电催化葡萄糖的氧化。通过测量该氧化反应产生的电流，即可精确地测定葡萄糖的浓度。
• 优势: 这种无酶传感器具有成本极低、稳定性高、抗干扰能力强、响应范围宽等优点，是下一代连续血糖监测（CGM）系统的理想候选材料。

铜纳米颗粒（CuNPs）在治疗领域的核心应用是其作为一种广谱、高效、廉价的纳米抗菌剂。

CuNPs被认为是昂贵的银纳米颗粒的一种极具潜力的低成本替代品，已被用于抗菌涂料、纺织品、农业和水净化等领域。

• 多重抗菌机理: CuNPs的强大抗菌活性源于多种机制的协同作用：
  1. 铜离子（Cu²⁺）释放: CuNPs在水性环境中会缓慢氧化并释放出具有强生物活性的Cu²⁺。这些铜离子可以破坏细菌的细胞膜，与蛋白质和DNA结合，导致其功能紊乱。
  2. 活性氧（ROS）生成: CuNPs表面可以催化产生活性氧（ROS），对细菌的细胞膜、蛋白质和DNA造成氧化损伤。
  3. 膜损伤: 纳米颗粒本身可以通过物理作用附着于细菌表面，破坏细胞膜的完整性。
• 抗病毒与抗真菌: 除了抗菌，CuNPs对多种病毒和真菌也表现出抑制作用。

铜是生命必需的微量元素，是许多关键酶的辅因子。然而，过量的铜则具有显著的毒性。铜纳米颗粒（CuNPs）的生物安全性是一个需要重点关注的问题。

• 核心毒性机制: CuNPs对哺乳动物细胞的毒性，与其抗菌机理类似，主要来自于其在生理环境中溶解并释放出的铜离子（Cu²⁺）。CuNPs本身像一个“特洛伊木马”，被细胞吞噬后，在细胞内酸性的溶酶体中会加速溶解，在局部释放出高浓度的Cu²⁺。
• 分子水平的损伤:
  • 蛋白质失活: Cu²⁺可以与蛋白质中的巯基和其它基团结合，导致其结构破坏和功能丧失。
  • 氧化应激: Cu²⁺可以参与类芬顿反应（Fenton-like reaction），催化产生剧毒的羟基自由基（•OH），引发剧烈的氧化应激，损伤DNA、蛋白质和脂质。
  • 威尔逊病 (Wilson's Disease): 这是一种由于铜代谢障碍导致铜在体内（特别是肝脏和大脑）过量蓄积的遗传病，可以作为理解铜过载毒性的一个参照。

铜离子对水生生物（如鱼类、藻类）具有很高的毒性。因此，将铜纳米颗粒作为抗菌剂广泛释放到环境中，可能会对水生生态系统构成潜在风险，需要进行严格的评估和管理。

高质量、尺寸均一的铜纳米颗粒的合成，其核心挑战在于防止氧化。

这是制备铜纳米颗粒最核心、最主流的方法。

• 原理:
  1. 反应体系: 在水溶液或有机溶剂中，将铜的前驱体（通常是CuSO₄, CuCl₂, Cu(acac)₂）用一种还原剂还原。
  2. 惰性气氛保护: 为了防止在合成过程中和合成后被空气中的氧气氧化，整个反应过程通常需要在惰性气氛（如氮气N₂或氩气Ar）的保护下进行。
  3. 还原剂的选择: 可以使用强还原剂（如硼氢化钠NaBH₄, 肼）进行快速还原，也可以使用温和还原剂（如L-抗坏血酸AA）进行缓慢还原以获得更好的形貌控制。
  4. 稳定剂/形貌控制剂: 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、油胺、油酸等长链有机分子是常用的稳定剂，它们可以包裹在铜纳米颗粒表面，既能控制尺寸和形貌，又能起到一定的抗氧化作用。
• 尺寸调控: 通过精确地调控前驱体与还原剂的比例、反应温度和稳定剂的种类等参数，可以方便地控制铜纳米颗粒的最终尺寸。

对铜纳米颗粒（CuNPs）的精确表征是评估其催化和生物学性能的关键。对其氧化态和表面化学的表征尤为重要。

• 元素组成与化学态: X射线光电子能谱 (XPS) 是表征CuNPs最核心、最关键的技术。通过分析Cu 2p的高分辨谱及其卫星峰，可以精确地区分和定量其表面的金属铜（Cu⁰）、亚铜（Cu⁺, 来自Cu₂O）和铜（Cu²⁺, 来自CuO）的相对含量。这对于理解其催化活性和稳定性至关重要。
• 晶体结构与物相: X射线衍射 (XRD)。用于确认CuNPs为面心立方（FCC）的晶体结构，同时也可以用来检测样品中是否存在Cu₂O或CuO等氧化物杂相。

• 形貌与尺寸: 透射电子显微镜 (TEM) 是直接观察CuNPs尺寸、形貌和分散性的金标准。

• 电化学测量: 通过在H型电解池中进行恒电位电解，并用气相色谱 (GC) 和核磁共振 (NMR) 在线分析气体和液体产物，可以精确计算催化剂对不同产物（如乙烯、乙醇、甲烷）的法拉第效率和分电流密度。

铜纳米颗粒的表面工程是其实现稳定应用的前提，其核心任务只有一个：防止氧化。

在铜纳米颗粒表面包覆一层致密的、能够隔绝氧气的保护壳，是解决其氧化问题的最有效策略。

• 碳/石墨烯包覆: 通过化学气相沉积或水热法，在铜纳米颗粒表面包覆一层石墨烯或非晶碳。这层碳壳不仅能提供优异的化学保护，而且本身导电，不会牺牲其电学性能。
• 贵金属包覆: 在铜核表面包覆一层薄薄的金（Au）或银（Ag）壳，可以有效地保护铜核不被氧化，同时赋予其贵金属的光学或催化特性。
• 金属氧化物包覆: 通过原子层沉积（ALD）或溶胶-凝胶法，包覆一层超薄的氧化铝（Al₂O₃）或二氧化硅（SiO₂），可以在提供化学保护的同时，赋予其易于功能化的表面。

• 硫醇/胺类配体: 利用铜与硫或氮的配位作用，使用长链的硫醇或胺类有机分子作为稳定剂，可以在铜表面形成一层致密的有机保护层，在一定程度上减缓其氧化速率。