遺態(tài)光子晶體結(jié)構(gòu)Au-TiO2的制備及其可見光范圍光催化研究.pdf

1、作為一種常見的半導(dǎo)體光催化材料，二氧化鈦（TiO2）因為具有成本低、無污染、來源廣泛等優(yōu)越性能而備受關(guān)注，成為解決生態(tài)環(huán)境與能源匱乏的有效手段之一。然而，隨著社會各行各業(yè)的迅猛發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷變革，人們對 TiO2的光催化效率和能源利用率提出了更高的要求。與此同時，由于TiO2自身存在的一些性能缺陷，如禁帶寬度較大、量子效率偏低等，成為了影響其進一步發(fā)展的桎梏。因而，如何提高TiO2的光催化性能，拓寬TiO2半導(dǎo)體在可見光范圍內(nèi)的

2、光響應(yīng)范圍，成為了當下半導(dǎo)體光催化研究領(lǐng)域的重中之重。
　　啟迪于大自然豐富的生物結(jié)構(gòu)，本文提出以具有光響應(yīng)特性的蝴蝶翅膀為生物模板，借助于不同蝶翅模板，利用溶膠-凝膠法制備系列遺態(tài) TiO2樣品，并分析結(jié)構(gòu)尺寸對其光響應(yīng)波段的影響規(guī)律。同時，以異型紫斑蝶為生物模板制備合成遺態(tài)光子晶體結(jié)構(gòu)Au/TiO2材料，并通過一系列表征手段，分析遺態(tài)光子晶體結(jié)構(gòu)慢光效應(yīng)和貴金屬金納米顆粒對 TiO2光催化性能的調(diào)控作用，以及兩者之間的耦合作用

3、，為改善和提高半導(dǎo)體光催化功能材料的催化效率提供新的研究思路和實驗依據(jù)。主要研究內(nèi)容以及結(jié)果如下：
　　1、基于改進參數(shù)后的溶膠-凝膠法，以蝴蝶翅膀為生物模板，制備合成了遺態(tài) TiO2材料。該方法可以較好地復(fù)制蝶翅的周期性分級結(jié)構(gòu)，包括脊結(jié)構(gòu)、肋結(jié)構(gòu)以及脊背上的薄肋結(jié)構(gòu)。
　　2、以具有類似周期性分級結(jié)構(gòu)的紫斑環(huán)蝶、枯葉蝶和異型紫斑蝶為模板，制備合成系列遺態(tài)TiO2。通過表征它們的微觀形貌、結(jié)構(gòu)尺寸以及光學(xué)性能，分析研究尺寸

4、因素對遺態(tài)周期性分級結(jié)構(gòu)在可見光范圍內(nèi)光學(xué)行為的影響。研究結(jié)果表明，只有異型紫斑蝶結(jié)構(gòu)TiO2在可見光范圍內(nèi)有良好的光學(xué)行為，分別在420nm與600nm處有明顯的反射峰。隨著“窗口”結(jié)構(gòu)尺寸的增加，其可調(diào)控的波段發(fā)生紅移。同時，脊背上多層薄肋，也可以對光起調(diào)控作用。
　　3、在異型紫斑蝶形貌TiO2基礎(chǔ)上，制備合成遺態(tài)光子晶體結(jié)構(gòu)Au/TiO2材料（Biomorphic Au/TiO2 photonic crystal,縮寫為A

5、u/TiO2-BMPC）。Au/TiO2-BMPC較好地復(fù)制了蝶翅的周期性分級結(jié)構(gòu)。Au納米顆粒尺寸約為9nm，在TiO2基體上均勻分布。研究表明，Au/TiO2-BMPC材料在550nm處具有較強的光吸收性能，主要歸功于遺態(tài)光子晶體的慢光效應(yīng)對入射光的調(diào)控作用。慢光效應(yīng)使特定波段的入射光在晶體內(nèi)部的傳播速度減緩，且波段范圍恰好覆蓋了樣品中Au納米顆粒的SPR吸收峰位，使兩者產(chǎn)生共振，從而增強了Au納米顆粒的SPR吸收強度。
　　

6、4、通過光催化降解甲基橙(Methyl orange)實驗，測試Au/TiO2-BMPC樣品的光催化活性。研究表明，Au/TiO2-BMPC在240min內(nèi)完全降解甲基橙，其催化速率是不具備光子晶體結(jié)構(gòu)樣品crushed Au/TiO2-BMPC的5倍，是商用催化劑Au/TiO2-P25的7倍。Au/TiO2-BMPC樣品的高光催化性能主要來源于光子晶體結(jié)構(gòu)對 Au納米顆粒的SPR吸收強度的增加。除此之外，蝶翅生物模板的分級多孔結(jié)構(gòu)也為