纳米金属表面等离激元电场调制及其对光催化性能影响研究

The electric field generated by surface plasmon resonance (SPR) excitation in plasmonic nanomaterials is of great importance in their catalytic properties. The main mechanism of reaction is to increase the electric field generated by SPR effect, which will drive the hot electrons transfer from metal material to the molecules adsorbed on its surface. However, the study of the electric field generated by SPR effect has not been done systematically. Different types of plasmonic nanomaterials will be studied in this proposal. Firstly, the metallic and bimetallic nanomaterials with controllable and well-defined sizes, compositions, and structures will be obtained by changing the synthesis conditions. Combining with calculation, we will study the correlation between their electric field generated by SPR excitation, as well as photocatalytic properties, and the physical/chemical parameters such as charge distribution, free electron density, electronic structure et. al. Then the metal nanoparticles will be deposited on different metal oxide semiconductors. The electric field generated by SPR excitation and the photocatalytic performance will be studied with the influence factors that include electronic structure of metal–semiconductor interface, lifetime of light–generated electron–hole pairs, carrier transfer between metal nanoparticles and oxide semiconductor et. al. The overall goal of this project is to clarify the factors that modulate the electric field generated by excitation and its photocatalytic mechanism, and meanwhile provide theoretical and experimental basis to explore other new efficient photocatalytic materials.

纳米金属光催化材料的表面等离激元对其催化性能起着重要作用，其主要机制是通过增强金属表面等离激元电场强度，使热电子从金属材料中迁移至吸附分子中，从而产生化学反应。目前对调制金属表面等离激元电场各种影响因素的研究还没有非常系统地开展。本项目以多种不同类型纳米金属光催化材料为研究对象。首先通过改变合成条件，得到不同尺寸、形态的单质或金属合金纳米材料，同时辅以理论计算，了解纳米金属材料中电荷分布、自由电子密度、电子结构等因素对于表面等离激元电场的调制作用，以及和光催化性能之间的关系。随后将金属纳米颗粒沉积在不同氧化物半导体载体上，研究金属–半导体界面电子结构、光生电子–空穴对寿命变化，载流子在金属纳米颗粒与氧化物半导体载体之间迁移等因素对金属表面等离激元电场的改变，以及对光催化性能影响。本项目的实施将有望澄清调制表面等离激元电场的因素及其光催化机制，为指导探索其他高效光催化材料提供理论与实验依据。

本项目发现贵金属纳米材料的尺寸、形态、电荷分布、自由电子密度、电子结构等因素，对其表面等离激元电场有调制作用，从而影响贵金属纳米材料等离激元效应导致的可见光催化性能。并且本项目的研究还表明，将贵纳米金属颗粒沉积在半导体材料衬底上，不但可以提高其可回收及重复利用效率，而且纳米金属颗粒和半导体材料衬底之间的电荷传递，可以改变纳米金属材料中自由电子密度，从而影响光催化性能。.本项目将贵金属纳米材料沉积到不同类型半导体材料表面，研究其光催化性能变化。同时辅以固体物理、半导体物理等理论，研究了金属-半导体界面能带及电子结构，从而了解金属纳米材料中自由电子密度、电子结构等因素的变化，确定了表面等离激元电场的调制因素及和光催化性能之间的关系。当将金属纳米颗粒沉积于窄禁带半导体表面时，可见光可以将半导体材料价带电子激发到导带成为自由电子。当金属纳米材料功函数大于半导体材料时，由于界面形成特殊的电子结构，半导体中的光生电子传递到金属纳米材料中，提高其自由电子密度及改变电子结构，使金属纳米材料表面等离激元电场强度变大，从而提高可见光催化效率。同时，如果通过掺杂减小半导体材料禁带宽度，更多价带电子能够被激发到导带，随后迁移到金属纳米颗粒中，将进一步提高可见光催化效率。当将金属纳米颗粒沉积于宽禁带半导体表面时，可见光能量不足以将价带电子激发到导带，此外由于金属-半导体之间形成的肖特基势垒，当可见光功率比较小时，会使金属纳米颗粒中一部分发生等离激元振荡的自由电子传递到半导体材料中，导致在金属侧可以生成羟基自由基，从而提高可见光催化降解效率。在项目执行过程中，还发现将金属纳米材料沉积于窄禁带半导体表面时，可以显著提高金属纳米材料热催化性能。因此，本项目发现了调制表面等离激元电场的一些重要因素及其和光催化性能的关系，为指导探索其他高效光催化材料提供了理论与实验依据。