研究发现金助催化剂可改善微污染物的光催化降解

要清除环境中的微污染物(如杀虫剂和微量化学物质)，你需要一些同样小巧而巧妙的东西。一种潜在的方法是光催化，它使用由阳光驱动的半导体纳米材料将有毒化学物质吸附在材料表面并降解它们。

康奈尔大学的研究小组利用一种新型的高分辨率光学成像技术，更好地了解了在添加了金粒子作为助催化剂的情况下，半导体二氧化钛(TiO 2 )上的吸附(即分子粘附在表面)是如何发生的。

他们发现，金增强了半导体表面大面积区域的吸附效果——距离污染源超过一微米。这一发现可以提高光催化去除废水中微污染物的效率。

研究结果于7 月 19 日发表在《自然催化》杂志上。该论文的主要作者是前康奈尔大学博士后研究员、现就职于新加坡国立大学的 Ming Zhao。该项目由文理学院 Peter JW Debye 化学教授、论文的资深作者 Peng Chen 领导。

用金增强二氧化钛是一种相当常见的光催化形式，这就是陈的团队选择这种组合的原因。他们希望使用成熟的模型系统。一项关键的进展是新的成像方法：adCOMPEITS，即基于吸附的超分辨率 COMPetition Enabled 成像技术的缩写，它建立在实验室设计的先前工艺的基础上。

在 adCOMPEITS 中，荧光探针分子吸附在颗粒表面，然后对其荧光进行成像。然后，非荧光微污染物分子被送至表面，并与荧光探针竞争吸附。探针吸附的减少(本质上是形成负像)随后可以进行测量，并以超高分辨率进行绘图。

研究团队利用该方法量化了两种代表性微量污染物——农药甲基嘧啶磷和增塑剂邻苯二甲酸二乙酯在各种反应和非反应条件下的吸附情况。

“我们测量了 TiO 2纳米棒表面不同位置的吸附情况，特别是金粒子所在的位置，以及距离金粒子很远的位置，”陈说。“金纳米粒子只有 100 纳米大小。我们发现它增强了距离粒子几微米的吸附。这相当于距离粒子远 10 倍。”

射程增加的原因是金粒子改变了 TiO 2表面的电子特性，这种现象称为表面能带弯曲，陈的实验室之前曾在表现出二维特性的三维半导体粒子中研究过这种现象。

“结果表明，能带弯曲不仅会使其所在位置的能带弯曲，而且能带弯曲会沿着 TiO 2的表面，”陈说。“能带弯曲具有指数衰减曲线，可达到微米级，并导致这种长距离吸附增强。”

这一发现表明，使用金等金属纳米粒子作为助催化剂具有特殊优势：只需少量助催化剂即可增强半导体上的吸附。这最终有助于解决光催化的挑战之一，即在将太阳能转化为化学反应时，光催化的转换效率通常较低。除了光催化应用外，它还可用于传感和染料敏化太阳能电池等工艺。

陈说：“这种长距离增强应该具有广泛的应用。扩展这一方法，我们可以考虑使用多种具有不同电子特性的助催化剂来增强多种类型的半导体。”

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