表面等离激元共振增强贵金属纳米结构电催化研究
发布时间：2021-01-13 23:06
随着日益严重的能源危机与环境污染问题,开发一种新型清洁的能源迫在眉睫。其中,利用光催化剂进行光化学转换受到了广泛的关注。目前所采用的光催化剂主要为半导体,但是研究表明,金银等具有表面等离激元共振效应的纳米结构也能够有效的将太阳能转化为化学能。这些金属纳米粒子能够将光子的能量转化为纳米粒子内部高能载流子的能量,这些高能载流子能够转移到吸附在纳米颗粒上的分子上或者重新复合释放热量,从而诱导化学反应。在本文中,基于金、银、钯等贵金属纳米结构的表面等离激元共振效应,合理设计催化剂的结构,用光照射,探究了其对醇类燃料电池及在抗坏血酸检测方面的应用,研究内容如下:1.溶液法制备了球型金纳米颗粒（Au NSs）、刺状金纳米颗粒（Au NMs）和金纳米棒（Au NRs）用于光电催化甲醇氧化。研究了不同形貌的金纳米催化剂在光照下对甲醇氧化反应（MOR）的影响。光照下Au NRs对甲醇电催化氧化的峰值电流密度是黑暗条件下的3.1倍。此外,探究了Au纳米催化剂在不同温度下的催化性能、耐久性和抗CO中毒能力,详细研究了可见光光强和波长对甲醇电催化氧化的影响。2.溶剂热法一步制得了PdFe超薄纳米片并用于光电催...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振效应示意图
青岛科技大学研究生学位论文3面等离激元（LSP）。同样，当入射光频率与等离激元的振荡频率相匹配时，振幅最大，这种现象叫做局域表面等离激元共振（LocalizedSurfacePlasmonResonance,LSPR）[12],如图1-1所示。假设有一半径为a（a<<λ）的金属纳米颗粒处于场强为E的均匀电场中，如图1-2所示，介电常数为εm，电场方向平行于z轴方向。图1-2金属纳米颗粒的静电模型Fig.1-2Theelectrostaticmodelofametalnanoparticles.在以球心为原点的坐标中，电势▽2Φ＝０，电场强度E＝-▽Φ。则金属纳米颗粒内外的电势分别为▽2Φout＝０（r>a）▽2Φin＝０（r<a）该系统还需满足的边界条件为金属纳米颗粒的内外电势相等Φout=Φin(r=a)，且满足=ε(=)1r=1r(=)lim→=cos若处于无穷远处的静电场不受干扰，那么满足上述边界条件的解为=3cos+2=cos+（）cos（+2）从上式可以看出，金属纳米颗粒外部势能为外加电场的势能与纳米颗粒中心的偶极子势能的相加，偶极子势能为=/4,则偶极矩p可以表示为=4+2由此可以得出极化率
表面等离激元共振增强贵金属纳米结构电催化研究4α=4+2可以看出，金属纳米颗粒的极化率为颗粒的介电常数与半径的函数。当|+2|取最小值时，极化率达到最大值，当入射光子的振荡频率与等离激元的振荡频率一致时，就会产生LSPR现象了。1.2.3金属纳米颗粒表面等离激元共振的弛豫金属纳米颗粒中的等离激元共振由于阻尼作用的存在无法长期维持，会在很短的时间内发生弛豫。表面等离激元的弛豫有两种方式：一种是向外发射光子的辐射弛豫，金属纳米颗粒附近的电磁场强度得到增强，从而增强金属纳米颗粒表面吸附分子的信号，属于物理变化；另一种为产生高能载流子的非辐射弛豫（图1-3），当金属纳米颗粒产生局域表面等离激元共振效应时，光子的能量转化为表面等离激元的能量，由于阻尼效应的存在，表面等离激元会通过非辐射的形式进行衰减。在这期间，电子获得能量从低能级跃迁到高能级，形成一种非平衡的电子分布状态。处于高能级的电子将能量进一步传递给能量较低的电子，此时的电子分布为准-费米-狄拉克分布，这些电子也被称为热电子。当金属纳米颗粒表面的吸附分子能级与高能载流子（电子／空穴）相匹配时，就会发生金属-分子间的电荷转移，热电子进入分子的LUMO轨道，热空穴进入分子的HOMO轨道，可能会使吸附分子发生化学反应。热电子通过电子-声子散射将能量转移到晶格振动，再通过声子-声子散射将能量通过热的形式最终消散到周围环境中，至此，光激发金属纳米颗粒表面产生的表面等离激元共振弛豫过程结束。图1-3金属纳米颗粒中局域表面等离激元的弛豫[9]。Fig.1-3Relaxationoflocalsurfaceplasmonsinmetalnanoparticles[9].
本文编号：2975713
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振效应示意图
青岛科技大学研究生学位论文3面等离激元（LSP）。同样，当入射光频率与等离激元的振荡频率相匹配时，振幅最大，这种现象叫做局域表面等离激元共振（LocalizedSurfacePlasmonResonance,LSPR）[12],如图1-1所示。假设有一半径为a（a<<λ）的金属纳米颗粒处于场强为E的均匀电场中，如图1-2所示，介电常数为εm，电场方向平行于z轴方向。图1-2金属纳米颗粒的静电模型Fig.1-2Theelectrostaticmodelofametalnanoparticles.在以球心为原点的坐标中，电势▽2Φ＝０，电场强度E＝-▽Φ。则金属纳米颗粒内外的电势分别为▽2Φout＝０（r>a）▽2Φin＝０（r<a）该系统还需满足的边界条件为金属纳米颗粒的内外电势相等Φout=Φin(r=a)，且满足=ε(=)1r=1r(=)lim→=cos若处于无穷远处的静电场不受干扰，那么满足上述边界条件的解为=3cos+2=cos+（）cos（+2）从上式可以看出，金属纳米颗粒外部势能为外加电场的势能与纳米颗粒中心的偶极子势能的相加，偶极子势能为=/4,则偶极矩p可以表示为=4+2由此可以得出极化率
表面等离激元共振增强贵金属纳米结构电催化研究4α=4+2可以看出，金属纳米颗粒的极化率为颗粒的介电常数与半径的函数。当|+2|取最小值时，极化率达到最大值，当入射光子的振荡频率与等离激元的振荡频率一致时，就会产生LSPR现象了。1.2.3金属纳米颗粒表面等离激元共振的弛豫金属纳米颗粒中的等离激元共振由于阻尼作用的存在无法长期维持，会在很短的时间内发生弛豫。表面等离激元的弛豫有两种方式：一种是向外发射光子的辐射弛豫，金属纳米颗粒附近的电磁场强度得到增强，从而增强金属纳米颗粒表面吸附分子的信号，属于物理变化；另一种为产生高能载流子的非辐射弛豫（图1-3），当金属纳米颗粒产生局域表面等离激元共振效应时，光子的能量转化为表面等离激元的能量，由于阻尼效应的存在，表面等离激元会通过非辐射的形式进行衰减。在这期间，电子获得能量从低能级跃迁到高能级，形成一种非平衡的电子分布状态。处于高能级的电子将能量进一步传递给能量较低的电子，此时的电子分布为准-费米-狄拉克分布，这些电子也被称为热电子。当金属纳米颗粒表面的吸附分子能级与高能载流子（电子／空穴）相匹配时，就会发生金属-分子间的电荷转移，热电子进入分子的LUMO轨道，热空穴进入分子的HOMO轨道，可能会使吸附分子发生化学反应。热电子通过电子-声子散射将能量转移到晶格振动，再通过声子-声子散射将能量通过热的形式最终消散到周围环境中，至此，光激发金属纳米颗粒表面产生的表面等离激元共振弛豫过程结束。图1-3金属纳米颗粒中局域表面等离激元的弛豫[9]。Fig.1-3Relaxationoflocalsurfaceplasmonsinmetalnanoparticles[9].
本文编号：2975713
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