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0431-81702023
光學工程
捕光新貴——鉑納米粒子的近場光吸收調控

貴金屬納米材料因其具有豐富的且可調控的光學性質,已在許多研究領域得到了廣泛的關注。其中具有表面等離子體共振(surface plasmon resonance, SPR)效應的金屬納米材料即為典型代表之一,其特點在于當金屬材料中傳導電子的集體振動頻率與入射光子的頻率相同時,二者之間的相互作用使金屬材料對特定能量的光子產生強吸收。

目前研究最為廣泛的是貴金屬金和銀納米材料,它們具有顯著的SPR吸收峰,可以對光進行納米級別的調控,已在表面增強拉曼光譜、等離子體波導、分子傳感器、熱輻射源、光學天線和太陽能電池等研究領域得到了應用。

與之形成鮮明對比的是,粒徑小于10 nm的鉑納米粒子在紫外到可見短波區域卻沒有明顯的光學吸收峰。盡管粒徑大于30 nm的鉑納米結構(鉑納米球、納米盤等)可以表現出良好的SPR吸收性質,但是粒徑小于10 nm的鉑納米粒子的特定光學吸收峰尚未被觀測到。這不僅使得精確調控小粒徑鉑納米粒子特定的光學吸收性質變得十分困難,而且還導致我們難以準確理解由鉑納米粒子引入所增強的光催化性能。由此可見,在不增加鉑納米粒子(< 10 nm)粒徑的前提下,直接識別和調控其光學吸收峰,并準確了解由鉑納米粒子所引起的光催化性能的提高,是一項極具挑戰性的任務。

近日,福州大學徐藝軍教授課題組通過巧妙地設計優化鉑納米粒子的近場和介電環境,首次成功調控出粒徑小于10 nm的鉑納米粒子在可見光區的光學吸收峰,建立了一種全新的光學吸收模型,并將其用于多種可見光光催化反應中。該研究結果已發表在Nature Photonics [10, 473-482 (2016)]上。

該課題組首先選用幾乎光學透明的二氧化硅作為載體,通過靜電自組裝的方法使鉑納米粒子均勻地分布在二氧化硅球體表面,進而在其表面包裹二氧化鈦薄層,構建了具有三維核殼結構的納米復合材料。通過納米材料的可控設計合成,在不改變鉑納米粒子的大小,僅調節其介電環境的情況下,實現了對鉑納米粒子可見光區光學吸收峰的有效調控。

圖1 Pt/[email protected]復合材料的結構和光學性質分析:(a) 納米復合材料的制備過程;(b)(c)(d) 2% Pt/[email protected]樣品的透射電鏡圖像;(e) 2% Pt/[email protected]樣品的高角環形暗場像和框圖區域的元素分布;(f) 不同Pt含量的復合材料的紫外-可見漫反射譜

基于實驗觀測,他們提出了一種全新的光學模型來解釋鉑納米粒子的光吸收行為。在該光學模型中,鉑納米粒子能夠吸收二氧化硅載體近場的散射光,從而表現出特定的光學吸收性質。這一全新的光學吸收模型與貴金屬的表面等離子體共振效應在概念上是不同的,即二氧化硅載體的近場散射光促進了鉑納米粒子產生特定的光學吸收峰,而非直接的入射光。通過與美國天普大學孫玉剛課題組合作,他們利用Mie理論和時域有限差分(FDTD)法對該復合材料的光學性質進行了系統的理論模擬,計算結果充分證明了該光學吸收模型的可靠性。

鉑納米粒子光學吸收峰的成功識別為研究并理解由鉑納米粒子引發的光催化氧化還原過程提供了基本的前提條件。基于此,徐藝軍教授課題組進一步將所構建的鉑納米粒子復合結構用于多種可見光光催化反應中,結果表明,在二氧化鈦未被激發的條件下,鉑納米粒子復合結構對可見光(> 500 nm)光催化選擇性需氧氧化醇類化合物、分解水產氫以及選擇性厭氧還原硝基化合物反應都體現出明顯的光催化活性。此外,波段依賴光催化性能測試、波段依賴光電流譜圖以及光電轉化效率等結果進一步證明復合材料光催化活性是由鉑納米粒子在可見光照射下被激發所產生的。以上結果表明,鉑納米粒子可以作為光子吸收體,有效用于驅動光催化選擇性氧化還原過程。

這一研究發現為利用小粒徑的鉑納米粒子調控復合材料的光學吸收性質并將其用于太陽能轉換開辟了一條新途徑。



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