基于表面等离激元共振效应的薄膜的光催化性质

苏州大学本科生毕业设计（论文）-0-目录摘要.......................................................（1）前言.........................................................(2)第一章光催化剂及其催化性质介绍..............................(3)第1.1节光催化剂...........................................(3)第1.2节光催化剂的分类.....................................(4)第1.3节二氧化钛光催化剂的应用进展.........................(4)1.3.1TiO2光催化的原理...................................(5)1.3.2TiO2光催化剂的应用.................................(6)第1.4节Ti02在光催化方面面临的问题及发展前景...............(9)第二章表面等离激元........................................(11)第2.1节表面等离激元的介绍.............................(11)第2.2节表面等离激元的应用................................(17)2.2.1生物传感器........................................(17)2.2.2负折射率材料......................................(18)2.2.3表面等离极化激元隐身..............................(20)2.2.4表面等离极化激元波导..............................(21)第三章基于表面等离激元共振效应的TiO2薄膜的光催化性质.......(23)第3.1节TiO2等离子体光催化的简介........................(23)第3.2节TiO2薄膜的光催化性质实验与结果...................(24)第3.3节表面等离子体光催化技术的优点及研究进展............(26)苏州大学本科生毕业设计（论文）-1-3.3.1优点.............................................(27)3.3.2研究现状........................................(27)结论......................................................(31)参考文献....................................................(32)致谢.......................................................(33)苏州大学本科生毕业设计（论文）-1-基于表面等离激元共振效应的TiO2薄膜的光催化性质摘要基于表面等离激元共振效应的光催化技术是一项新兴的技术,它将表面等离激元共振效应应用到光催化技术领域中,在环境领域有着广阔的应用前景。本文主要介绍了光催化定义、TiO2光催化原理及在环境保护和净化领域方面的应用；表面等离激元的特点、基本现象、带来的新效应以及应用研究的进展；基于表面等离子激元的光催化技术的研究现状及进展，同时还对光催化技术所面临的问题及发展前景做了论述。关键词：光催化、表面等离激元、TiO2薄膜AbstractPhotocatalytictechnologybasedonsurfaceplasmonresonanceeffectisanemergingtechnology,itappliessurfaceplasmonresonanceeffecttothefieldofphotocatalytictechnology,andhasapromisingfutureinenvironmentalprotection.Thispapermainlyintroducesthedefinitionofphotocatalysis,theprincipleofTiO2photocatalysisandtheapplicationinenvironmentalprotectionandpurificationfield;thebasicphenomenon,characteristicsofsurfaceplasmon,neweffectsandthedevelopmentoftheappliedresearch;thenresearchstatusandprogressonphotocatalytictechnologybasedonsurfaceplasmonresonanceeffect.Meanwhile,theproblemsanddevelopmentprospectthatphotocatalytictechnologyisfacingarediscussed.Keywords:photocatalytic;surfacePlasmon;TiO2film苏州大学本科生毕业设计（论文）-2-前言随着社会经济的发展,人们对于能源和生态环境越来越关注,解决能源短缺和环境污染问题是实现可持续发展、提高人民生活质量和保障国家安全的迫切需要。光催化材料在解决能源和环境问题方面有重要的应用前景。光催化材料能有效利用太阳能,光解水制氢,氢能源是目前最理想的能源,其最终产物是水,不产生污染；与传统治理环境的方法相比,光催化材料能将有机污染物分解成二氧化碳和水,具有成本低,高效,不产生二次污染等优点。虽然光催化研究已进行了若干年,但仍存在着光转换效率低、稳定性差和光谱相应范围窄等问题,因此加强光催化材料的基础研究意义十分重大。我们提出了一种在银纳米粒子表面在邻近他们等离子共振的波谱范围内，尤其是近紫外区域内采用加强的电场幅度的新型的光催化剂。由于表面等离子体共振波长是随着周边材料折射率的增加而朝着更高波长转移,低折射率的不可缺少的二氧化硅壳在将局域表面等离激元共振移回近紫外光谱域的过程中起着一个至关重要的作用。除了用这个方法能实现提高催化效率,现有设备的更重要的优势是能够生产出大块面积的光催化材料。等离子体光催化剂是一种基于纳米金属表面等离子体效应和半导体光催化效应的新型光催化剂。近来Awazu课题组制备了Ag—TiO2等离子体光催化材料,纳米银金属颗粒被二氧化硅所覆盖,阻止了银纳米颗粒与二氧化钛的直接接触,有效地避免了银纳米颗粒被二氧化钛氧化,该催化剂具有很高的光催化效率。苏州大学本科生毕业设计（论文）-3-第一章光催化剂及其催化性质介绍第1.1节光催化剂光催化剂[Photocatalisis]是光[Photo=Light]+催化剂[catalyst]的合成词。光催化剂是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，光催化剂利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量来产生催化作用，使周围的氧气及水分子激发成极具氧化力的自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。最具代表性的例子为植物的“光合作用”，吸收对动物有毒之二氧化碳，利用光能转化为氧气及水。光催化剂于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“本多·藤岛效果”（Honda-FujishimaEffect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师－－－－东京工艺大学校长本多健一的名字。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因此后来将这一现象中的氧化钛称作光催化剂。这种现象将光能转变为化学能，以当时正值石油危机的背景，世人对寻找新能源的期待甚为殷切，因此这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，但由于很难在短时间内提取大量的氢气，所以用于新能源的开发终究无法实现，因此在轰动一时后迅速降温。1992年第一次二氧化钛光催化剂国际研讨会在加拿大举行，日本的研究机构发表许多关于光催化剂的新观念，并提出应用于氮氧化物净化的研究成果。因此二氧化钛相关的专利数目亦最多，其它催化剂关连技术则涵盖催化剂调配的制程、催化剂构造、催化剂担体、催化剂固定法、催化剂性能测试等。以此为契机，光催化剂应用于抗菌、防污、空气净化等领域的相关研究急剧增加，从1971年至2000年6月总共有10,717件光催化剂的相关专利提出申请。二氧化钛光催化剂的广泛应用，将为人们带来清洁的环境、健康的身体。各种应用材料逐渐进入纳米时代。纳米材料由晶粒1～100nm大小的粒子所组成。粒径极为微细，具有极大的比表面积，且随着粒径的减少，表面原子百分比提高。在表面上由于大量原子配位的不完全而引起高表面能的现象。表面能量占全能量的比例大幅提高，使纳米材料具吸附、光吸收、熔点变化等特性。利用纳米超微粒子技术与特性，研发出材料本身在反应时完全不参与作用，却可促进并提高反应能量，以催化目标反应并已运用于苏州大学本科生毕业设计（论文）-4-环境清洁应用上，促使有害或有毒物质加速反应成为稳定而无害物质，达到环保效果。纳米二氧化钛光催化剂是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质，就象植物的光合作用中的叶绿素。光催化剂在太阳光或室内荧光灯的照射下能产生抗菌、除臭、油污分解、防霉防藻、空气净化的作用。第1.2节光催化剂的分类催化剂可按化学类型、化学组成、反应类型及市场类型来划分。按化学类型可分成贵金属、分子筛、酸碱、酶、茂金属、氧化物、硫化物等催化剂。按化学组成则可分成银、铜、镍、钯、铁等。按反应类型即催化剂功能分类则可划分成水解与水合、脱水、氧化、加氢、脱氢、聚合、酰化、卤化等。按市场分类则可性划分成炼油、化工和环保三类。目前国内外均以功能划分为主，兼顾市场类型及应用产业。中国工业催化剂分类方法：一．石油炼制催化剂1.催化裂化催化剂；2.催化重整催化剂；3．加氢裂化催化剂；4．加氢精制催化剂；5．烷基化催化剂；6．异构催化剂二．无机催化剂1．脱硫——加氢脱硫、硫回收催化剂2．转化——天然气转化、炼厂气转化、轻油转化催化剂3．变换——高（中）变、低变、耐硫宽变催化剂4．甲烷化——合成气甲烷化、城市燃气甲烷化5．氨合成催化剂6．氨分解催化剂7．正、仲氢转化催化剂8．硫酸制造催化剂9．硝酸制造催化剂10．硫回收催化剂三．有机化工催化剂1．加氢催化剂；2．脱氢催化剂；3．氧化——气相、液相催化剂；4．氨氧化催化剂5．氧氯化催化剂；6．CO+H2合成——合成醇、F-T合成催化剂；7．酸催化——水合、脱水、烷基化催化剂；8．烯烃反应——齐聚、聚合、岐化、加成催化剂苏州大学本科生毕业设计（论文）-5-四．环境保护催化剂1．硝酸尾气处理催化剂2．内燃机排气处理催化剂3．制氮催化剂4．纯化——脱痕量氧或氢催化剂五．其它催化剂第1.3节二氧化钛光催化剂的应用进展1.3.1TiO2光催化的原理TiO2在光照条件下之所以能够进行氧化还原反应，是由于其电子结构是一个满的价带和一个空的导带这一特点。气光子能量达到或超过其带隙能时，电子就可从价带激发到导带，同时在价带产生相应的空穴.即生成电子、空穴对。激活态的导带电子和价带空穴能重新合并，使光能以热能的形式散发掉。TiO2+hν→e-+h+(1)e-+h+→N+energy(hν’hνorheat)(2)当存在合适的俘获剂或表面缺陷态时，电子和空穴的重新合并受到抑制，就会在表面发生氧化还原反应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，大多数光催化反应都直接或间接地利用了空