等离子体光催化材料

等离子体光催化材料 2016-04-26 13:42

来源：内江洛伯材料科技有限公司作者：研发部

等离子体光催化材料

由于表面等离共振( SPＲ) 效应，贵金属纳米粒子( Ag，Au，Pt) 具有很强的可见光吸收能力，能够与半导体复合形成表面等离子体光催化材料。通常，等离子光催化过程可描述为金属纳米粒子在吸收光后其表面发生等离共振，随后等离子体发生衰减，把聚集的能量转移到半导体材料的导带。这个过程产生的高能电子( 热电子) ，逃离贵金属纳米粒子而被与其接触的半导体收集，从而形成金属-半导体肖特基接触。目前实验上已合成和表征了许多具有可见光活性的等离子体光催化材料，如 Ag-Ti O2、Au-Ti O2和 Au-Ce O2等离子体光催化体系。众所周知，卤化银在吸收光子之后产生的电子易被 Ag+所捕获，从而将其还原为 Ag 原 子，因 此 在 光 照 下 极 不 稳 定。然 而，Huang 课题组发现制备的 Ag-Ag Cl 体系却具有稳定、高效的可见光等离子体光催化性能，随后制备研究了一系列 Ag-Ag X( X = Cl，Br，I) 等离子体光催化体系。这一发现引发了人们对该体系光催化性能研究的热潮，为开发新型光催化材料提供了一条新的途径。研究认为，由于 Ag 纳米粒子与 Ag X 之间的良好接触，促使光生载流子在界面处发生有效分离，同时沉积在 Ag X 上 Ag纳米粒子的表面等离共振效应使该材料在宽可见光区域显示出稳定、很强的光催化活性。Ag-Ag Cl 的光吸收谱和有机物降解的实验结果，显示了可见光降解 MO 的效率为 N-Ti O2的 8 倍，以及该体系很好的稳定性。进一步的实验和理论研究表明等离子光催化材料的尺寸和形貌对其光催化性能具有很大影响，因此人们又进一步研究了各种形貌的等离子体光催化材料，包括立方、纳米球和纳米线等结构，使得其光催化性能得到进一步提高。Dai 课题组的理论研究发现Ag Cl 空穴有效质量的大小明显依赖于迁移方向，而 Ag 的 4d 轨道在晶体场中的劈裂是导致 Ag Cl空穴有效质量大和迁移能力低的原因，研究结果很好地解释了 Ag-Ag Cl 体系的光催化活性依赖于纳米粒子形貌的性质。通过对 Ag-Ag Cl 体系能量转移机理的研究发现，Ag 纳米粒子到 Ag Cl的能量转移需要通过 Ag Cl 半导体的带隙中引入杂质态实现，

表面等离共振效应能极大增强杂质态参与的光跃迁几率。最近的实验发现，直接沉积 Au 纳米粒子到 Ti O2表面的光催化活性要好于光还原方法制备的 Au-Ti O2。理论研究表明这是由于 Au-Ti O2等离子光催化体系氧空位能够增加热电子的迁移势垒和拓展空间电荷区，降低热电子注入效率。因此，理论建议在沉积金属纳米粒子之前，对半导体表面合适处理有利于提高热电子注入效率和光催化活性。