等离激元杂化纳米材料可见-近红外光活性增强作用机制与相关应用

The generation of hot charge carriers induced by surface plasmon resonance (SPR) has been recognized as an important discovery in photo energy conversion process,as a result, the development of SPR enhanced photoactive materials with wide-range spectral responses provide a promising way for efficient utilization of solar energy. This project will design and fabricate the noble metal/semiconductor hybrid nanostructures with visible-NIR responses for enhancing photocatalytic efficiency. We will use ultrafast time-resolved spectroscopy and electron spin resonance spectroscopy to study the generation, transfer and reactive behavior of hot carriers as well as the generation of reactive oxygen species from the irradiated metal/semiconductor hybrid nanostructures, and unravel the mechanism underlying the SPR enhanced photocatalytic reactions from understanding of the fundamental photophysics and photochemistry. In order to fabricate efficient solar photocatalysts for use in pollutants degradation and antibacterial applications, we will systematically study the relationships among the structural characteristic of metal/semiconductor, the SPR feature, reactive oxygen species and photocatalytic reactions. This project will provide scientific insights for understanding the SPR enhanced photocatalytic mechanism and design of plasmonic composite nanostructures for efficient photo energy conversion.

表面等离激元共振（SPR）诱导热载流子的产生是近年来能量转化过程的重要发现，以此为理论基础发展宽光谱响应的光活性材料为太阳光高效利用提供了契机。本项目旨在设计和构建具有可见和近红外等离激元共振特征的金属/半导体杂化纳米结构并用于增强半导体可见-近红外光催化反应活性。项目将采用超快时间分辨光谱技术和电子自旋共振波谱技术重点考察贵金属/半导体杂化纳米结构在光辐射作用下热载流子的产生、转移和反应行为，以及活性氧物种的生成规律，从光物理过程和光化学反应两方面揭示表面等离激元共振对光催化反应活性增强作用的内在机制；拟通过系统研究贵金属与半导体的匹配规律和结构特征与表面等离激元共振特性、活性氧物种和光催化反应活性的相关性，设计出宽光谱响应的高效光活性材料，应用于致病菌治理和污染物降解。该项目的开展将为深入理解等离激元光催化反应机理和高效光能利用/转化材料的设计提供重要依据。

表面等离激元共振在光子能量转化过程种扮演重要作用，为宽光谱响应的光催化材料设计提供了契机。本项目围绕（但不限于）“设计和构建具有可见和近红外等离激元共振特征的金属/半导体杂化纳米结构并用于增强半导体可见-近红外光催化反应活性”开展了系列研究工作。首先，拓展了贵金属/半导体杂化纳米体系与构建方法。根据能级匹配原则选择合适的半导体和贵金属种类，基于模板生长和诱导组装策略，结合化学浴沉积、化学还原、光化学还原和溶剂热反应等手段，成功制备了Au@TiO2、Au/TiO2、Au@CeO2等近20种杂化纳米结构，实现了对贵金属/半导体杂化纳米结构的可控合成。揭示了金属/半导体杂化类型、壳层组分与结构、金属颗粒特征（尺寸、形貌、组成）、半导体种类等对表面等离激元共振特性的影响规律。其次，综合利用电子自旋共振波谱、超快时间分辨吸收光谱和表面光电压技术实现了对（热）载流子动力学过程、反应行为和活性氧物种产生能力的测定，系统考察了杂化类型、金属特征（尺寸、形貌、组成、担载量）和表面等离激元共振特性对半导体光生载流子产生和分离效率、活性氧物种产生的影响规律，实验证明了影响等离激元共振效应诱导光催化活性增强机制的关键结构因素。第三，系统测试和比较了各类金属/半导体杂化纳米结构应对不同场景的各种光催化活性（包括：有机污染物分子、抗生物、分解水产氢、抗菌活性等），从电子富集效应到等离激元共振效应、从光物理到光化学行为更全面地理解了杂化结构光催化活性增强的主要机制，阐明了等离激元共振效应对增强半导体的可见-近红外光催化活性的关键作用。这些结果将为光催化机理研究和高效广谱光催化剂的设计提供了重要理论和实验基础。此外，该项目还拓展研究了金属纳米酶及其生物应用，发展了光调控纳米酶活性的方法；探索了纳米酶在抗氧化保护中的新应用，首次发现了金属纳米酶能够有效阻断病理性α-突触核蛋白的传播，为帕金森病的治疗提供了新策略。