压电势增强表面等离子体共振效应及光催化机理研究

Exploiting plasmonic photocatalysts is the most promising solution to utilize solar energy for purifying environment efficiently. To import more hot electrons into conduction band of the semiconductor, many methods have been reported to control the size of metal particles. But less effort has been paid to study the influence between the semiconductor and surface plasmon resonance. To study piezo-potential enhanced surface plasmon resonance, ZnO nanorods will be used as the supporter and can be driven to generate piezoelectric effect. (1) Being inspired by nature, we use a kind of magnetically actuated inner-motile cilia as exciting source. The magnetically actuated cilia can drive ZnO nanorods to generate piezoelectric effect for directional separation of photo-induced carrier. Using photo-deposition method, drive selective deposition of metals. (2) Based on photocatalysts with different structures (selective or random deposition), study the relationship between structures and properties, and give the regulation mechanism. (3) Decompose antibiotics by the as-prepared photocatalysts, and study the influence between catalytic environment and photocatalytic process. This research will provide a new method for enhanced surface plasmon resonance, and will push the development of photocatalytic technology in the field of environmental purification.

表面等离子体复合光催化剂的研制是高效利用太阳能净化环境的关键技术。为提高进入半导体导带的热电子浓度，目前主要的研究手段是调控金属颗粒的形貌及大小，但关于载体对等离子共振效应影响的研究却很少。本项目利用ZnO纳米棒作为载体，通过诱导其产生压电效应，研究压电势对等离子共振效应的影响。(1)受大自然的启发，引入一种磁致纤毛作为激励源，通过纤毛驱动ZnO纳米棒产生压电效应，驱动ZnO内部光生载流子定向分离；利用光沉积的方法，使金属选择性沉积于ZnO纳米棒表面。(2)基于不同结构(金属选择性沉积、无序沉积)的光催化剂，研究结构与性能的关系，阐述压电势对热电子的调控机理。(3)降解抗生素，通过调控水体环境，研究催化环境对光催化过程的影响规律。本项目的实施为等离子共振效应的增强提供了新方法，对光催化技术在环境净化领域的应用起到推动作用。

本项目主要研究了压电势增强表面等离子体共振效应对光催化性能的提升，并探索了可能的光催化机理。首先，利用柔性材料与流体的相互作用，激励氧化锌产生压电效应。通过沉积不同的等离子体共振金属Ag、Au，研究压电势对等离子体共振效应的调控机理。其次，通过构筑氧化锌磁致纤毛薄膜，利用纤毛仿生运动，激发氧化锌产生压电效应。该纤毛结构的构筑不仅可以提高对光的利用率，还有助于提高催化剂的比表面积。研究表明，纤毛运动频率、降解温度，是影响压电势增强等离子体共振效应的主要因素。再次，将所合成的材料用于四环素抗生素、罗丹明B等污染物的降解反应，并探讨了影响光催化反应的因素，从理论上指导了催化剂的合成与结构调控方向。最后，随着项目的研究深入以及对压电效应的深入理解，研究发现在压电势的辅助下，可以将氧化锌对光的响应范围从紫外光区域拓宽至红外光区域，可以实现红外光固氮反应。该结果可能将对能耗较高的固氮行业产生深远的影响，实现绿色、低能耗光催化固氮。大量实验结果表明，提升压电势大小，增强等离子体共振效应，提高对光子能量的转化利用，对光催化活性的增强具有积极影响。