武漢工程大學在金屬納米顆粒及光催化應用研究取得新進展

2020-10-08 小材科研

武漢工程大學光電信息與能源工程學院、數理學院馬良博士以武漢工程大學為第一單位，依託光學信息與模式識別湖北省重點實驗室，在等離激元耦合及應用研究領域取得一系列研究進展，相關成果發表在ACS AppliedMaterials & Interfaces（影響因子8.758）,Nanoscale（影響因子6.895）和Solar RRL（影響因子7.527）國際著名期刊上。

金屬納米顆粒的等離激元耦合效應能夠產生極強的光子吸收和近場增強等優異光學特性，在催化、傳感以及表面拉曼增強光譜等領域有著廣泛的應用。馬良博士利用可控水熱法製備了一種新型的金納米結構，稱之為「納米金元寶「，具體結構為直徑20 nm的金納米球精確地置於開口大小可調的半金殼層中，金納米球和金納米殼層之間有著約厚度為4 nm納米間隙。理論和實驗研究表明，納米金元寶有著兩種等離激元共振吸收峰，一種在550 nm處，屬於電偶極共振；另外一種處於650 ~ 800 nm之間，來源於外層金納米殼層的磁偶極共振。同時，金納米球和殼層之間的強烈等離激元耦合能夠極大的增強兩種等離激元的共振吸收和局域電磁場。光催化降解對硝基苯酚和表面增強羅丹明B分子拉曼光譜實驗結果表明，納米金元寶展現出殼層大小依賴的光催化活性和SERS響應，相關研究成果以題目為《Structure-Adjustable Gold Nanoingotswith Strong Plasmon Coupling and Magnetic Resonance for Improved PhotocatalyticActivity and SERS》發表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 38554−38562。

其次，馬良博士以納米金球為生長基底，利用多次循環置換反應和二次生長手段製備出具有納米間隙數目可調的Au/AgAu雙金屬納米結構，其內部納米間隙數最大可達4個。這種內部的多間隙納米結構，為等離激元耦合提供了很好的平臺。實驗和理論研究表明，Au/AgAu展現出間隙數目依賴的光子吸收和近場增強。其中，由於多個界面的等離激元強耦合效應，具有4個納米間隙的Au/AgAu擁有最寬的吸收光譜和最強局域電磁場。進而，通過水熱法構建間隙可調(Au/AgAu)@CdS核殼納米結構光催化劑，光解水產氫氣測試結果表明，(Au/AgAu)@CdS展現出間隙數依賴的光催化活性，隨著納米間隙數的增加，其催化產氫氣活性呈指數增長，最高可達純硫化鎘的96倍。相關研究成果以題為《Multi-interfacial Plasmon Coupling in Multigap(Au/AgAu)@CdS Core–Shell Hybrids for Efficient Photocatalytic Hydrogen Generation》發表在Nanoscale 2020,12, 4383。

另外，馬良博士利用水熱法在納米金球切線方向生長超薄CuSe納米盤同時沉積Pt納米顆粒，構建出Pt納米顆粒修飾Au/CuSe切向異質結構的三元光催化劑。由於金納米球和CuSe超薄納米盤之間的金屬-非金屬等離激元耦合作用，三元催化劑在可見和近紅外區間有著優異的光子吸收。理論研究表面，金納米球和CuSe的界面之前存在很強的電場耦合，能夠極大的提升材料的光俘獲能力和界面之間的電荷轉移。同時三元催化劑之間內部的多電荷轉移途徑，能夠極大的提升載流子的壽命。在可見可近紅外光照射下，光解水產氫氣測試顯示Au/CuSe/Pt三元催化劑有著優異的光催化活性。相關研究成果以題目為《Pt Decorated (AuNanosphere)/(CuSe Ultrathin Nanoplate) Tangential Hybrids for EfficientPhotocatalytic Hydrogen Generation via Dual-Plasmon-Induced Strong VIS–NIR LightAbsorption and Interfacial Electric Field Coupling》發表於Sol. RRL 2019,1900376。

以上論文是在我校科研平臺下完成的科研工作，武漢個工程大學為第一單位，馬良博士均為論文的第一作者和通訊作者，論文其它作者還有熊倫副教授、秦平力教授和陳相柏教授，以及2017級光電信息科學與工程3班本科生陳友龍。以上工作得到了武漢工程大學科研啟動基金、光學信息與模式識別重點實驗室開放基金、湖北省自然科學基金和國家自然科學基金的支持。

來源：武漢工程大學

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c09684

https://doi.org/10.1039/C9NR09696E

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/solr.201900376

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