表面等离子体激元纳米阵列间的磁控耦合及其辅助光催化CO2为清洁燃料机制研究

To catalyze CO2 into hydrocarbon as the clean fuel, we suffer yet some drawbacks, such as the poor visible light harvesting and the low quantum effeciencies. Our program proposes the localized surface plasmon resonance (LSPR) effect of the metal nanoparticles to broaden the absorption spectrum into the visible range, which can enhance the efficient visible absorption and realize the stable visible light-driven photocatalysis of carbon dioxide. The curved TiO2/[Co/Pt]n/Au/TiO2 multilayer films are prepared on two dimensional PS array and Au are driven into TiO2 sublayer through the pinholes during heating process which results in the formation of ordered TiO2/[Co/Pt]n/Au/Au@TiO2 array. The excellent conducting properties of Au nanostructures enhance the carriers velocity.and the in-built magnetic field help to enhance the recombination time, which finally enhance the the photocatalytic activity of semiconductors and the efficiency. The magnetic field can be applied to TiO2/[Co/Pt]n/Au/Au@TiO2 array to change the curvature and the distances between the units of the magnetic array. In addition, surface enhanced Raman scattering (SERS) is used to investigate the effects of the ordered array period, material on LSPR coupling, energy transfer and catalysis activity.

在TiO2等半导体将CO2催化成碳氢燃料过程中，还存在低光能吸收率及低载流子复合效率等问题。本项目拟利用金属纳米结构的局域表面等离子增强（LSPR）效应拓宽半导体吸收谱带，提高半导体对光的吸收效率，实现对CO2高效稳定的光催化作用。在二维胶体粒子阵列上制备TiO2/[Co/Pt]n/Au/TiO2曲面多层膜，加热驱动Au在TiO2中针孔的扩散过程，形成TiO2/[Co/Pt]n/Au/Au@TiO2复合材料磁性有序阵列；Au良好的导电性提高载流子的传输速度，内置磁场延长载流子复合时间，提高催化活性及效率；外加磁场调控多层膜的曲率及单元间距等，并利用SERS技术研究结构周期、材料成分比例等结构参数对LSPR耦合增强、能量传输及光催化活性影响的物理机制。

贵金属纳米结构的局域表面等离子增强效应对提高半导体对光的吸收及转换效率、拓宽半导体吸收谱带、提高光催化能力具有非常重要的作用。等离子体材料辅助光催化在生物、医药、能源环境领域具有潜在的应用价值。本项目以二维胶体阵列为模版，制备了半球壳型贵金属-贵金属（AuAg）、贵金属-半导体（Au或Ag-TiO2）、贵金属-磁性材料-半导体材料（Ag-Fe, TiO2/Co/Pt/Au）等复合材料有序纳米坛、纳米帽子、纳米柱等结构阵列，研究了微观结构和材料成分等对局域表面等离子激元耦合的影响，并利用FDTD模拟直观地探究了纳米结构阵列中电磁场的分布特点，结果显示缝隙结构或贵金属和其他材料的杂化界面结构有利于SERS增强。并利用局域表面等离激元共振增强，辅助化学反应，在Au结构阵列表面定域生长Ag纳米粒子，达到热点可视化效果。通过磁场调控，对热点进行转移和重构。对金属和磁性层构成的三明治结构，通过铁磁层的调节，两层Ag之间的SPR耦合被调控，较薄的磁性层增强了SERS信号。然而，较厚的中间磁性层会削弱光与表面等离子体之间的相互作用，使SERS信号减弱。构建了半导体TiO2和Ag或Au构成的复合纳米结构，相互扩散作用诱导了少量Ag-O-Ti复合物在TiO2和Ag结合处形成，促进了电子在Ag纳米粒子表面和TiO2之间的转移，与纯贵金属相比，半导体-金属复合结构的强吸收和增强的SERS效应与金属嵌入的介电性能、半导体TiO2和Ag或Au纳米颗粒之间界面电子转移密切相关。TiO2/Co/Pt/Au阵列，具有良好的SPR诱导电荷催化的能力。研究了不同频率光驱动和施加不同磁场，催化还原温室气体CO2 的动力学、光电量子效率、处理效果稳定性，界面电子转移以及光催化还原过程中碳氢化合物等。Au纳米结构良好的导电性提高载流子的传输速度，[Co/Pt]n层提供的内置磁场提高载流子复合时间，从而提高催化活性及效率。.该研究结果为纳米周期阵列结构的局域表面等离激元耦合在光催化、能源环境等领域的应用，提供一定的参考。