中國(guó)粉體網(wǎng)訊 貴金屬納米材料因其具有豐富的且可調(diào)控的光學(xué)性質(zhì),，已在許多研究領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注,。其中具有表面等離子體共振（surface plasmon resonance, SPR）效應(yīng)的金屬納米材料即為典型代表之一，其特點(diǎn)在于當(dāng)金屬材料中傳導(dǎo)電子的集體振動(dòng)頻率與入射光子的頻率相同時(shí),，二者之間的相互作用使金屬材料對(duì)特定能量的光子產(chǎn)生強(qiáng)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(duì)光進(jìn)行納米級(jí)別的調(diào)控,，已在表面增強(qiáng)拉曼光譜,、等離子體波導(dǎo)、分子傳感器,、熱輻射源,、光學(xué)天線和太陽(yáng)能電池等研究領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
與之形成鮮明對(duì)比的是,，粒徑小于10 nm的鉑納米粒子在紫外到可見(jiàn)短波區(qū)域卻沒(méi)有明顯的光學(xué)吸收峰,。盡管粒徑大于30 nm的鉑納米結(jié)構(gòu)（鉑納米球、納米盤(pán)等）可以表現(xiàn)出良好的SPR吸收性質(zhì),，但是粒徑小于10 nm的鉑納米粒子的特定光學(xué)吸收峰尚未被觀測(cè)到,。這不僅使得精確調(diào)控小粒徑鉑納米粒子特定的光學(xué)吸收性質(zhì)變得十分困難，而且還導(dǎo)致我們難以準(zhǔn)確理解由鉑納米粒子引入所增強(qiáng)的光催化性能,。
由此可見(jiàn),，在不增加鉑納米粒子（< 10 nm）粒徑的前提下，直接識(shí)別和調(diào)控其光學(xué)吸收峰,，并準(zhǔn)確了解由鉑納米粒子所引起的光催化性能的提高,，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
近日,，福州大學(xué)徐藝軍教授課題組通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)優(yōu)化鉑納米粒子的近場(chǎng)和介電環(huán)境,，首次成功調(diào)控出粒徑小于10 nm的鉑納米粒子在可見(jiàn)光區(qū)的光學(xué)吸收峰，建立了一種全新的光學(xué)吸收模型,，并將其用于多種可見(jiàn)光光催化反應(yīng)中,。該研究結(jié)果已發(fā)表在Nature Photonics [10, 473-482 (2016)]上。
該課題組首先選用幾乎光學(xué)透明的二氧化硅作為載體,，通過(guò)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(jìn)而在其表面包裹二氧化鈦薄層，構(gòu)建了具有三維核殼結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料,。通過(guò)納米材料的可控設(shè)計(jì)合成,，在不改變鉑納米粒子的大小，僅調(diào)節(jié)其介電環(huán)境的情況下,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉑納米粒子可見(jiàn)光區(qū)光學(xué)吸收峰的有效調(diào)控,。
圖 Pt/SiO2@TiO2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)分析：
(a) 納米復(fù)合材料的制備過(guò)程,；
(b)(c)(d) 2% Pt/SiO2@TiO2樣品的透射電鏡圖像,；
(e) 2% Pt/SiO2@TiO2樣品的高角環(huán)形暗場(chǎng)像和框圖區(qū)域的元素分布；
(f) 不同Pt含量的復(fù)合材料的紫外-可見(jiàn)漫反射譜
基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè),，他們提出了一種全新的光學(xué)模型來(lái)解釋鉑納米粒子的光吸收行為,。在該光學(xué)模型中,，鉑納米粒子能夠吸收二氧化硅載體近場(chǎng)的散射光，從而表現(xiàn)出特定的光學(xué)吸收性質(zhì),。
這一全新的光學(xué)吸收模型與貴金屬的表面等離子體共振效應(yīng)在概念上是不同的,，即二氧化硅載體的近場(chǎng)散射光促進(jìn)了鉑納米粒子產(chǎn)生特定的光學(xué)吸收峰，而非直接的入射光,。通過(guò)與美國(guó)天普大學(xué)孫玉剛課題組合作,，他們利用Mie理論和時(shí)域有限差分（FDTD）法對(duì)該復(fù)合材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論模擬，計(jì)算結(jié)果充分證明了該光學(xué)吸收模型的可靠性,。
鉑納米粒子光學(xué)吸收峰的成功識(shí)別為研究并理解由鉑納米粒子引發(fā)的光催化氧化還原過(guò)程提供了基本的前提條件,。基于此,，徐藝軍教授課題組進(jìn)一步將所構(gòu)建的鉑納米粒子復(fù)合結(jié)構(gòu)用于多種可見(jiàn)光光催化反應(yīng)中,，結(jié)果表明，在二氧化鈦未被激發(fā)的條件下,，鉑納米粒子復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光（> 500 nm）光催化選擇性需氧氧化醇類化合物,、分解水產(chǎn)氫以及選擇性厭氧還原硝基化合物反應(yīng)都體現(xiàn)出明顯的光催化活性。此外,，波段依賴光催化性能測(cè)試,、波段依賴光電流譜圖以及光電轉(zhuǎn)化效率等結(jié)果，進(jìn)一步證明復(fù)合材料光催化活性是由鉑納米粒子在可見(jiàn)光照射下被激發(fā)所產(chǎn)生的,。
以上結(jié)果表明,，鉑納米粒子可以作為光子吸收體，有效用于驅(qū)動(dòng)光催化選擇性氧化還原過(guò)程,。
這一研究發(fā)現(xiàn),，為利用小粒徑的鉑納米粒子調(diào)控復(fù)合材料的光學(xué)吸收性質(zhì)，并將其用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換,，開(kāi)辟了一條新途徑,。
