Ag表面等离激元驱动的新型高效光催化剂研究

作     者：薛睿庭 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范希梅

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 081705[工学-工业催化] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：直接电子激发 等离子体上转换 间接多光子吸收 光氧化有机污染物 光还原CO2 光氧化还原裂解水 

摘      要：可见光驱动的光化学反应能够有效收集太阳能,从而解决能源危机及环境污染问题,因此长期以来倍受人们关注。金属氧化物半导体是最常见的光催化剂,然而其能带结构特点却极大的限制了它的实际应用,为了改善这一问题,人们进行了大量的研究。最近几年,金属表面等离激元增强的光化学反应引起了人们极大的兴趣,等离子体纳米结构具有广泛可调谐的光学性能,并且能够驱动许多反应条件苛刻的化学反应。然而,迄今为止,关于局域表面等离子体共振(LSPR)机理的研究依然很匮乏,并且存在很多争议。目前关于LSPR机理的主流观点认为,相干电子的退相干非辐射失活过程激励的部分热电子可以具有很高的能量,通过化学界面散射(CIS),热电子可以转移到半导体吸附物的导带并参与后续反应。最近的文献报导了一种关于LSPR的全新机制,当金属与半导体界面存在化学界面阻尼(CID)时,金属表面的电子可以直接激发到半导体的导带上,我们通过研究认为这种机制是由等离子体波驱动的。由于这种直接电子激发机制不依赖高强度的光场、高能量光子,并且能量转换效率高,因此具有更好的应用前景。本论文中的实验以贵金属Ag和半导体ZnO,Ti O为研究对象,采用了两种策略设计CID,分别是Ag量子点(QDs)和加入化学钝化层聚多巴胺(PDA),研究了AgQDs/ZnO光氧化降解有机污染物,AgQDs/Ti O光还原CO,以及Ag/PDA/ZnO光氧化还原裂解水3项实际应用。我们验证并阐述了等离子体波驱动电子直接激发的物理化学本质,并提出了等离子体上转换理论体系,具体内容如下:1.通过研究Raman光谱,阐述了反斯托克斯信号与电子直接激发机制之间的关系,详细说明了当前LSPR的几种机制,并提出了等离子体波传递能量的理论。同时发现AgQDs表现出了与较大Ag簇不同的性质,结合表面光电压(SPV),X光电子能谱(XPS),紫外可见光谱(UV-vis),荧光光谱(PL)等表征结果,证实了AgQDs分别与ZnO和Ti O复合时,CID提供的电子通道方向相反,电子转移方向取决于表面功函数的差异,从而AgQDs/ZnO和AgQDs/Ti O可以分别表现出强氧化性和强还原性。光氧化降解有机污染物和光还原CO的实验表明AgQDs的催化效率比较大Ag簇高出不止一个数量级,光化学反应实际上发生在AgQDs表面,因此这种AgQDs/半导体复合材料是一种新型等离子体光催化剂。2.深入比较分析了几种LSPR增强反应机制包括等离子体场激发、直接电子激发与间接电子转移之间的本质联系与选择分歧。前两种机制发生在表面等离激元热化之前(t≤100 fs),其过程是绝热的,发生的关键在于与金属表面的吸附物能否在100 fs内调整内部电子势能分布以接收LSPR传输的能量。等离子体场激发是通过将吸附物基态电子激发到更高的势能面来实现的,条件是金属与吸附物具有较好的空间偶极电场重叠,通常发生在金属/有机分子体系中;直接电子激发则是通过转移场源(即电子)平衡总电子势能,这种机制依赖界面CID,通常发生在金属/半导体体系中。另外,直接激发与间接转移是金属/半导体体系中两种主要竞争模式,电子从金属向半导体转移在零级近似下是严格禁阻的,二者都是通过扰动作用耦合初态、终态电子波函数实现转移的,前者是通过电场耦合(即CID),发生在100 fs以内;后者是通过电子振动耦合(即CIS),发生在约100 fs-10 ps范围内。3.PDA可以通过偶极-偶极传递方式接收LSPR产生的能量,并在表面形成强电场覆盖,提供直接电子激发需要的CID。基于这一策略,设计了一个三元光催化裂解水系统,包括捕光天线和析氧活性中心(Ag簇),表面钝化层(PDA)以及析氢活性中心(ZnO)。令人惊奇的是光催化剂不仅能在可见光下高效驱动水全裂解,并能对近红外光产生较好的响应。在此基础上我们提出了等离子体上转换理论体系及其间接多光子吸收过程理论模型。