Au-TiO2纳米复合材料的热扩散调制及其光解水产氢的构效关系

The photocatalytic properties of the composite nanomaterials consisting of gold nanoparticles and titania nanostructures are significantly influenced by the combination mode as well as the interactions between each other. Therefore, development of facile and versatile approaches to controllable patterning gold nanoparticles on titania nanostructures is one of the most important topics in this field. In this project, we propose a new top-down strategy based on the thermal diffusion of gold nanofilms at the solid–solid interface for the tunable fabrication of gold nanoparticles and their synchronous decoration on titania nanotube arrays. We plan to construct zinc oxide nanowire-gold nanofilm-titania layer core-shell-shell structures by the layer-by-layer deposition route, for achieving designed interfacial conditions. The thermal diffusion and thermal disintegration approach of the gold nanoshells sandwiched at the zinc oxide-titania interface will be tuned by predominantly or synergistically applying different solid-state diffusion mechanisms such as self-diffusion, surface diffusion, strain-induced diffusion, grain boundary diffusion, and capillary diffusion. It is supposed to achieve a site-selective loading of the gold nanoparticles on the titania nanotubes subsequent to the removal of the zinc oxide nanowires. We will reveal the structure-performance relationships of the resultant products serving as photocatalysts in water splitting for hydrogen production. This project aims at investigating the microstructure change and diffusion rules of the gold nanofilms during thermal diffusion at the solid-solid interface and the coupling effects between gold nanoparticles and titania nanotubes on photocatalytic hydrogen production from water photolysis, which are important from both the theoretical point and the practical point of view for improvement of comprehensive performance of composite materials and realization of materials-oriented engineering.

金纳米粒子和氧化钛纳米结构的复合方式显著影响复合材料的光催化性能。发展简单高效的方法调控金纳米粒子在氧化钛纳米结构上的分布是该领域的重要研究方向。本项目利用金纳米薄层在固体界面的可控热扩散行为，提出一种自上而下调制金纳米粒子并同步修饰氧化钛纳米管阵列的新思路。拟基于氧化锌纳米线-金纳米壳层-氧化钛纳米壳层核壳夹层结构的逐层构筑，设计不同的界面环境，优先或协同采用自扩散、表面扩散、应力诱导扩散、晶界扩散、毛细扩散等固相扩散机制调控金纳米壳层在氧化锌-氧化钛界面的热扩散和热解离路径。进而通过去除氧化锌纳米线模板，实现金纳米粒子在氧化钛纳米管上的可调控分布，并探索其作为光催化剂在光解水产氢反应中的构效关系。重点研究金纳米壳层在固-固界面热扩散过程中的微结构变化和扩散规律以及金纳米粒子与氧化钛纳米管阵列对光催化产氢过程的协同作用，为提升材料的综合性能和实现工程化制备提供理论和技术上的支撑。

针对金纳米粒子和氧化钛纳米结构复合方式的调控，本项目利用先进沉积技术和金纳米薄层在不同界面的热扩散特性，制备了金纳米粒子在氧化钛一维纳米结构不同位置上选择性负载的纳米复合材料，研究了其在光电化学分解水过程中的构效关系以及耦合增强机制，具体包括三方面内容：一、证实了通过金薄膜去浸润过程产生的金纳米粒子掩膜可以调控氧化钛纳米线阵列的生长。在此基础上，通过二次沉积金薄层的去浸润过程可以优化金纳米粒子对氧化钛纳米线阵列的修饰。具有分枝结构的氧化钛纳米线对金的空间热扩散限制和锚定可以进一步增加这两种组分之间的界面面积，并优化电荷转移路径。均匀分布的金纳米粒子对氧化钛纳米结构表面的有效钝化可以有效降低电子-空穴复合率，所制备的复合光阳极在全波段光辐照条件下具有优异的光电化学水氧化活性。二、实现了金团簇对氧化钛纳米线阵列的精确定位和有效修饰。在原子层沉积气-固反应条件下原位去除了团簇配体，获得了具有清洁表面并维持初始尺寸的团簇。金团簇和氧化钛保护层的协同作用抑制了金原子在高温和电极反应条件下的固相热扩散和团聚生长，提高了水氧化反应过程中金团簇的稳定性、复合光电极的光电转化效率及其有效的光电催化全分解水性能。三、利用界面热扩散作用实现了金纳米粒子对氧化钛纳米管阵列的选择性修饰，证实了金纳米粒子的选择性定位可以有效调控金纳米粒子的尺寸和分布以及与氧化钛的耦合。通过系统研究该复合材料表面增强拉曼传感性能，揭示了该复合体系的光响应特性以及电荷转移的光物理机制，实现了传感性能的优化。研究结果初步表明，利用限域固相扩散路径调制金/氧化钛纳米复合体系是一种流程简单、重复性好、可以实现批量制备的方法。在基底上制备的阵列结构不仅具有高度热稳定性，而且可以实现功能材料的回收和后处理，提高了实际应用的经济性。在项目执行期间，发表了SCI学术论文17篇；申请国家发明专利1项；培养了博士3名和硕士13名。