基于Au@TiO2纳米等离子体的催化传感研究

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在纳米材料领域,由于具有独特的理化性质,贵金属纳米材料引起了极大关注。在金属纳米等离子体中具有大量的自由电子,受到可见光激发时,这些自由电子会产生集体振荡,这种电子的振荡行为被称为表面等离子体共振,即SPR。而电子的集体振荡正是纳米等离子体进行催化与传感的基础。例如,纳米等离子体对光的敏感性使其在环境保护和能源领域得到广泛应用,基于纳米等离子体材料合成的光催化剂,不仅提高了传统半导体光催化剂的催化活性,而且还将其响应范围从紫外波段扩宽到了可见波段,从而可以更大程度利用太阳光的能量。此外,众所周知,由于SPR效应在光谱上具有一个强的特征吸收峰,这一光谱现象已经使得表面等离子体共振传感器(SPR)成为一种常见并且已经商业化的传感器,应用于例如健康医疗和气体传感等方面,感测区域的介电常数的任何变化都会反应到SPR的特征峰上,从而实现对催化反应进程的传感检测。然而,这也会给传感结果带来很大的不准确性,制约着其研究的发展。本文在现有的催化及传感的研究基础上,针对其不足之处,提出了新的基于催化反应的纳米等离子体传感监测手段。主要内容简述如下:(1)通过利用将制备好的3.5nm的Au纳米溶胶与TiF4水溶液混合水热3h合成了以TiO2为壳、Au为核的新型多核核壳材料AuNPs@TiO2。且多个10-15nm的金核均匀分散在纳米复合材料当中,不仅通过金纳米等离子体的等离子体共振效应将二氧化钛的光响应区间扩展到了可见光区,而且多个小尺寸的核还可以有效增大Au与TiO2的接触面积,使由等离子体振荡激发的热电子可以更加快速的转移的到邻近的二氧化钛最低空轨道上,实现了更有效的电子-空穴的分离。随后将其应用到光催化降解罗丹明B的实验中,AuNPs@TiO2纳米复合光催化剂对罗丹明B的降解可以达到89.7%、相比对照实验(用TiO2催化降解罗丹明B,13.1%)和空白实验(在光照下罗丹明B的自降解,5.8%)光催化效果显著提高。(2)将制备的AuNPs@TiO2纳米等离子体材料应用在催化降解罗丹明B和邻苯二甲酸盐的光催化监测传感当中。利用催化过程中电子转移引起的纳米等离子体的峰位置摇摆频率来作为传感信号。结果表明制备的传感器在光催化过程中等离子体峰的摇摆频率可以有效反应催化进程中的速度。该传感器实现了对催化反应进程的实时监测,更加直观高效。而且由于此传感器的响应信号是由于反应过程中的电子转移引起的,解决了之前的传感器由于对周围介质变化发生响应而引起的不确定性。这更有利于传感器的实际应用。
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