纳米TiO2的光致发光性能与SERS效应的关系

以采用溶胶-水热法制备的纯TiO₂及Zn掺杂的TiO₂纳米粒子作为SERS活性基底, 研究了其光致发光机制及其与表面增强拉曼散射(SERS)性能的关系. 结果表明, TiO₂纳米粒子的表面缺陷和氧空位等表面性质在其光致发光和增强拉曼散射性能中发挥着重要的作用. 在表面缺陷和氧空位含量较低时, TiO₂纳米粒子的光致发光光谱(PL)信号越强, 其SERS性能就越高; 当TiO₂纳米粒子的表面缺陷和氧空位含量达到一定程度时, TiO₂纳米粒子的PL信号越弱, 其SERS性能越高.     

Cu掺杂TiO_2薄膜的摩擦学性能

采用溶胶-凝胶法在普通玻璃基底上制备了纯TiO2和Cu掺杂的TiO2(Cu-TiO2)纳米结构薄膜,利用X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)、粉末X射线衍射(XRD)及UMT-3摩擦磨损试验机考察了Cu掺杂量对薄膜组成、结构、表面形貌及摩擦学性能的影响.结果表明,相比于纯TiO2薄膜,Cu掺杂TiO2纳米薄膜平整、均匀,具有较好的耐磨减摩性能.Cu掺杂量的多少直接影响Cu-TiO2薄膜的减摩抗磨性能,当Cu掺杂量为5%(摩尔分数)时,Cu-TiO2膜具有最佳的耐磨寿命和最低的摩擦系数.     

SnO2纳米粒子作为SERS基底的研究

采用溶胶-水热法制备了不同尺寸的SnO2纳米粒子, 并将其作为表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)活性基底, 重点探讨了表面缺陷能级与SERS性能的关系. 观察到4-巯基苯甲酸(4-MBA)吸附在150 ℃水热合成的SnO2纳米粒子上的SERS 信号最强, 随着在空气中煅烧温度的升高, SERS信号逐渐减弱. 分别用透射电子显微镜、 紫外-可见光谱、 荧光光谱、 X射线衍射和X射线光电子能谱对SnO2纳米粒子进行了表征. 结果表明, SnO2纳米粒子的表面氧空位和缺陷等表面性质在增强拉曼散射性能中发挥着重要的作用, 表面氧空位和缺陷等含量越高其SERS信号就越强.     

3-氨基-1,2,4-三氮唑对铜的缓蚀性能和吸附行为

采用电化学和表面增强拉曼光谱(SERS)方法研究了新型环境友好型金属水处理剂3-氨基-1,2,4-三氮唑(ATA)对铜在3% NaCl溶液中的缓蚀性能和吸附行为. 结果表明, ATA对铜有较好的缓蚀作用, 其中ATA浓度为0.24 mmol·L-1时对铜的缓蚀效率最高, 为97.65%, 其吸附行为符合Langmuir吸附等温式, 吸附机理是典型的化学吸附援SERS表明, ATA分子通过很强的吸附于铜表面达到抑制其腐蚀的作用, 是ATA-与Cu+形成配合物来阻止氯离子化合物(CuCl-2)的生成.     

金属镍掺杂改进纳米TiO2的表面增强拉曼散射性能

通过溶胶-水热法合成纯的和不同量Ni离子掺杂的TiO₂纳米粒子, 将其作为表面增强拉曼散射(SERS)活性基底, 研究了金属Ni掺杂对于纳米TiO₂ SERS性能的改进. 结果表明, 适量的Ni掺杂能够在纳米TiO₂的能隙中靠近导带底的位置形成丰富的掺杂能级, 促进TiO₂-to-molecule的电荷转移过程, 进而提高纳米TiO₂基底对吸附分子的SERS增强能力, 显著改进纳米TiO₂的SERS性能.     

偏压控制Cu2O和Cu在TiO2表面的生长及其光电化学性质

基于TiO2/Ti电极在含Cu2+溶液中的循环伏安图,调节电沉积的沉积电压,我们在TiO2平整表面制备出Cu2O和/或Cu颗粒.通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征,发现Cu2O和Cu有不同的生长机制:Cu2O颗粒在TiO2表面分散结晶,而Cu颗粒是在已生长的颗粒上成核,从而形成堆积颗粒结构.这是由于在Cu2O/TiO2界面和Cu/TiO2界面形成不同的能带结构,使得电子的转移方式不同.与纯TiO2光阳极比较,可以观察到Cu2O/TiO2和Cu/TiO2异质结构的光电流均有显著增强.特别地,存在一个电压区间使得Cu2O和Cu同时生长在TiO2表面,此时对应的光电流比较稳定并且能达到最大.紫外-可见(UV-Vis)漫反射光谱、电化学阻抗谱(EIS)和光电流-电压特性曲线均显示,Cu2O和Cu明显有助于光的可见光吸收,同时Cu/TiO2在光电转换过程中显示更宽波段的可见光利用率.此外,开路电压的增加、有效的电荷分离和电极/电解质界面上载流子的快速迁移也增强了材料的光电化学性质.     

Cu2O/Ag纳米复合物的表面增强拉曼光谱

用一种简单的化学还原方法制备了银纳米粒子包覆的氧化亚铜（Cu2O）纳米复合物。扫描电子显微镜显示Cu2O 为八面体型的纳米粒子,表面光滑,结构对称。包覆的Ag部分占据Cu2O粒子表面。通过比较Ag/Cu2O纳米复合物、Ag溶胶及Cu纳米粒子表面吸附的4-巯基吡啶（4-Mpy）分子表面增强拉曼光谱（SERS）发现,利用此方法得到了Cu2O粒子表面吸附分子的拉曼光谱。银纳米粒子所产生的电磁场增强又增强了吸附在Cu2O上的4-Mpy拉曼信号。这种方法为初步研究Cu2O表面吸附分子性质提供了依据,扩宽了SERS的使用范围,使SERS应用在纳米半导体材料上成为可能。     

偏压控制Cu2O和Cu在TiO2表面的生长及其光电化学性质

基于TiO2/Ti电极在含Cu2+溶液中的循环伏安图,调节电沉积的沉积电压,我们在TiO2平整表面制备出Cu2O和/或Cu颗粒.通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征,发现Cu2O和Cu有不同的生长机制:Cu2O颗粒在TiO2表面分散结晶,而Cu颗粒是在已生长的颗粒上成核,从而形成堆积颗粒结构.这是由于在Cu2O/TiO2界面和Cu/TiO2界面形成不同的能带结构,使得电子的转移方式不同.与纯TiO2光阳极比较,可以观察到Cu2O/TiO2和Cu/TiO2异质结构的光电流均有显著增强.特别地,存在一个电压区间使得Cu2O和Cu同时生长在TiO2表面,此时对应的光电流比较稳定并且能达到最大.紫外-可见(UV-Vis)漫反射光谱、电化学阻抗谱(EIS)和光电流—电压特性曲线均显示,Cu2O和Cu明显有助于光的可见光吸收,同时Cu/TiO2在光电转换过程中显示更宽波段的可见光利用率.此外,开路电压的增加、有效的电荷分离和电极/电解质界面上载流子的快速迁移也增强了材料的光电化学性质.     

掺杂镧的TiO2纳米粒子的光致发光及其光催化性能

采用溶胶-凝胶法制备了纯的和掺杂La的TiO2纳米粒子,并利用XRD,TEM,XPS和荧光光谱(FS)等对样品进行表征,主要考察焙烧温度和La含量对TiO2纳米粒子的性质以及光催化降解苯酚活性的影响,并探讨了La的掺杂对TiO2相变的作用机制以及FS光谱与光催化活性的关系.结果表明,适量La掺杂能够提高TiO2纳米粒子FS光谱强度,这是因为La掺杂能够使表面氧空位和缺陷的浓度增加;600℃热处理的掺杂不同量La的TiO2样品的光催化活性顺序是:1%＞1.5%＞3%＞0.5%＞5%＞0%,这与它们的FS光谱强度的顺序是一致的,即FS光谱强度越高,其光催化活性越高.这是因为在光致发光过程中,FS信号主要来源于表面氧空位和缺陷,而在光催化反应过程中,表面氧空位和缺陷能够有利于光生电子被捕获.     

金属(Fe,Co,Ni,Cu)掺杂的Mo2C催化剂在TiO2表面用于中性条件光催化分解水产氢

中性条件下的分解水产氢(HER)是化工领域的重要反应之一,其效率取决于催化剂的内在特性.在本工作中,我们利用3d金属(Fe,Co,Ni,Cu)对Mo2C进行掺杂来调节其费米能级,从而达到催化剂可在中性条件下吸附水并提高最终活性的目的.首先,利用简单浸渍法将四种金属的前驱体吸附到MoO3表面,然后通过煅烧一步合成金属掺杂的Mo2C.产物Mo2C的XRD峰位移以及XPS表征结果表明,四种金属通过掺杂进入到了Mo2C晶格.利用HRTEM以及相应的元素面扫分析,也证明金属确实掺杂进入了Mo2C体相.考察了Mo2C基催化剂在中性条件下电解水产氢的性能,结果表明,在10 mA/cm2条件下,Cu-Mo2C催化剂表现出最优的HER性能,其次,是Ni-Mo2C,Co-Mo2C,Fe-Mo2C和纯Mo2C,它们的过电位分别为78,90,95,100和173 mV,Tafel斜率分别是40,43,42,56和102 mV/dec.利用阻抗测试详细分析了催化剂-反应液界面电阻Rct的变化情况,样品Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C拟合后的Rct值分别为119,89.6,46.5,33.8和23.2 ohm/cm^2,表明金属掺杂能明显降低催化剂的反应界面电阻.由于电催化过程的主要研究对象是表面双电层,所以我们利用循环伏安法计算了催化剂表面双电层的数值,得到上述五个样品的Cdl数值分别为0.047,0.06,0.1,0.16和0.24 F/cm^2,双电层的提高为催化剂表面提供了更多的反应位点.考虑了到光解水的界面反应实质也是电催化过程,我们通过浸渍方法将催化剂负载到锐钛矿TiO2表面,考察调控的功函数对光催化效率的影响.XPS表征验证了M-Mo2C负载于TiO2表面.负载助催化剂的TiO2-M-Mo2C样品均表现出了优于纯TiO2的光解水产氢性能.样品TiO2-Cu-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Mo2C和纯TiO2的产氢速率分别为21,404,275,224,147和112μmol/h.利用瞬态荧光研究了载流子在助催化剂和TiO2两相的界面迁移,通过单指数拟合得到样品TiO2,TiO2-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt的荧光寿命分别是22.6,20.5,10.1,4.7,4.0,2.5和1.9 ns,说明不同金属掺杂的Mo2C对提取光生电子的效果不同,元素Cu最有效.进一步利用瞬态吸收光谱研究了TiO2-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt三个样品的载流子迁移,同样采用单指数拟合得到的荧光寿命分别为105,73和31 ps,进一步说明掺杂Cu后助催化剂Mo2C对于提取TiO2的光生电子寿命具有很好的促进作用.利用UPS技术探究了金属掺杂后Mo2C的缺陷能级位置,从计算结果可以看出,元素Cu掺杂后Mo2C具有更深的缺陷能级,该能级对吸附水具有促进作用.利用原位红外光谱对样品进行了水蒸气吸附测试,结果表明,Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C样品依次的吸附水性能提升.综上,我们利用3d金属对助催化剂进行了缺陷调控来调变其对水的起始吸附过电位,该工作对设计性能优异的光解水助催化剂具有一定的借鉴意义.     

In situ controlled growth of well-dispersed gold nanoparticles in TiO2 nanotube arrays as recyclable substrates for surface-enhanced Raman scattering

In this paper, well-aligned Au-decorated TiO(2) nanotube arrays with high surface-enhanced Raman scattering (SERS) enhancement were prepared using a facile in situ reduction and controlled growth approach. The gold nanoparticles are well-dispersed and assembled on the mouth surface and the inside of the TiO(2) nanotubes without clogging. The structure and optical properties of the Au-decorated TiO(2) nanotube arrays have been characterized. The Au-decorated TiO(2) nanotube arrays were employed as SERS-active substrates, which exhibit good performance due to long-range coupling between Au nanoparticles, and TiO(2)-assisted enhanced charge-transfer from Au to Rh6G. The SERS activity of the substrates strongly depends on the crystallite size and level of aggregation. The substrates display significant fluorescence quenching ability and uniform SERS responses throughout the whole surface area. Particularly, good recyclability is shown. The photocatalytic property of Au-decorated TiO(2) nanotube array was exploited to recycle the substrate through UV light photocatalytic purification. The experimental results showed that the substrate is featured by high reproducibility and can be used as a highly efficient SERS substrate for multiple detection of different chemical and biological molecules.     

Ag负载TiO2核壳基底的制备及对结晶紫的高效(SERS)检测

通过简单的一步水热法制备了TiO2核壳微球，然后经过原位光还原将Ag负载于其表面，成功得到了用于有机分子检测的Ag负载TiO2核壳表面增强拉曼散射（SERS）基底。得益于TiO2核壳微球的结构，其对结晶紫（CV）分子表现出高的吸附容量。单一TiO2核壳微球对CV的检测限为10-3 M，而负载Ag以后，其对CV的检测限能达到10-7 M，增强因子（EF）可达3.49×105。优异的SERS检测性能可能归因于以下几点：（1）半导体TiO2为Ag纳米粒子提供了均匀分散的骨架，创造了高密度的热点；（2）为CV分子提供了大的吸附面积；（3）复合材料促进了激发光子的相互作用。     

一步水热合成铜纳米颗粒负载二氧化钛复合纳米管及其可见光催化活性

采用一步水热法合成了Cu纳米粒子负载二氧化钛纳米管材料. 利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)等对材料的相组成、形貌以及形成过程进行了研究. 制得的Cu-TiO₂复合纳米材料长度约为100 nm, 直径10-15 nm, 其上负载的Cu纳米粒子尺寸约为5 nm. BET比表面积测试表明实验制备的Cu-TiO₂复合纳米管的比表面积为154.67 m²·g^-1. 通过调节水热反应时间和钛前驱体种类, 研究了该复合纳米管材料的形成机制. 结果表明: 非晶态的钛源对于成功一步合成Cu-TiO₂复合纳米管至关重要. 同时, 实验中观察到铜纳米粒子的尺寸随水热反应时间延长而减小(反奥氏陈化过程), 这一现象有助于纳米粒子的可控合成.紫外-可见吸收光谱表明该复合纳米管在350-800 nm范围内有较强的吸收, 并在550-600 nm范围观察到Cu的表面等离子激元吸收带. Cu-TiO₂界面处形成的肖特基势垒有助于加快光生载流子的输运, 提高光生电子-空穴对的分离效率. 光催化实验表明Cu-TiO₂复合纳米管在可见光下具有较高的催化活性.     

反相乳液中Ag/TiO2纳米杂化粒子的制备及其SERS效应

在反相乳液的微环境中用一步反应法制备了Ag/TiO2纳米杂化粒子,并用TEM,SPS,XPS及XRD等方法进行了表征.结果表明,Ag粒子(5-15nm)已镶嵌在TiO2(30-50nm)结构中,并且具有SERS活性.     

Recent Advances in Metal Organic Frameworks Based Surface Enhanced Raman Scattering Substrates: Synthesis and Applications

Metal-organic frameworks (MOFs) are supramolecular nanomaterials, in which metal ions or clusters are connected by organic ligands to form crystalline lattices with highly ordered periodic porous network structure. MOFs have been widely applied in various fields, such as catalyst, sample preparation, and sensing. In recent years, MOFs based surface enhanced Raman scattering (SERS) substrates have attracted much attention since MOFs can largely improve the performance of metallic SERS substrates toward target enrichment and signal enhancement. MOFs have been exploited in SERS analysis to tackle some challenges that bare metal substrates cannot achieve. Combination of MOFs and SERS improved the sensitivity of traditional SERS analysis and extended the application scope of SERS. With the increasing exploration of MOFs based SERS substrates, there is a great demand to review the advances in these researches. Herein, this review concentrated on summarizing the preparation and applications of MOFs based SERS substrates. Representative researches were discussed to better understand the property of MOFs based SERS substrates. The advantages of MOFs based SERS substrates were highlighted, as well as their limitations. In addition, the challenges, opportunities, and future trends in MOFs based SERS analysis were tentatively discussed.     

Synthesis of a β-cyclodextrin-modified Ag film by the galvanic displacement on copper foil for SERS detection of PCBs

A mono-6-thio-β-cyclodextrin-modified silver film was synthesized via galvanic displacement on copper foil. The prepared silver films could enrich non-polar polychlorinated biphenyls (PCBs) molecules from hydrophilic phase using thiolate β-cyclodextrins (SH-β-CDs) as receptors. The components of as-prepared Ag-coated-Cu (Ag-Cu) film were confirmed by powder X-ray diffraction (XRD). Both surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) measurements gave strong evidences that the thiolated β-cyclodextrins (SH-β-CDs) had been immobilized on the surface of silver film. Compared to the substrates prepared in the absence of SH-β-CD, the surface morphology of the CD-modified Ag films was obviously changed. The interfacial enrichment and the capability of substrates to form inclusion complexes with PCBs molecules were tested by using PCB-15 (4,4'-dichlorobiphenyl) as the probe molecules via SERS technique. The measured SERS spectra could distinguish the PCB-15 molecules at micro-molar level according to the most intense CCC bending in-plane mode of PCBs. The enhancement factor (EF) of the SERS substrates for PCB-15 was 1.2×10(5), which was comparable with a number of previous reports.     

不同基材上TiO2膜的表征和光催化活性评价

 采用溶胶-凝胶法在平行条件下制备了负载于钛、铝、不锈钢和玻璃等不同基材上的TiO2浸渍提拉膜,利用原子力显微镜、俄歇电子能谱、X射线衍射、漫反射紫外-可见光谱和苯甲酰胺光催化降解等手段对TiO2膜进行了表征和催化活性评价. 实验结果表明,基材的种类对TiO2膜的性能有较大影响,各膜样品虽均为锐钛矿晶型,但表面形貌显著不同. TiO2/Ti, TiO2/steel, TiO2/Al和TiO2/glass上TiO2的平均粒径分别是152, 205, 241和477 nm,且前两者的粒径分布较为集中. TiO2/Ti和TiO2/Al样品表面仅有Ti和O元素存在,而TiO2/steel和TiO2/glass表面则分别检测到有Fe和Na,Ca及Si等基材元素渗出. 各膜样品对苯甲酰胺光催化降解的活性次序是:TiO2/Ti＞TiO2/Al＞TiO2/glass＞TiO2/steel. 根据实验结果可以推测,在焙烧阶段各基材上前驱体膜烧结行为的不同以及基材元素的渗出是造成不同基材上的TiO2膜在表面形貌、化学组成、光吸收性能以及光催化活性方面存在明显差异的主要原因.     

Synthesis of magnetic polyphosphazene-Ag composite particles as surface enhanced Raman spectroscopy substrates for the detection of melamine

Magnetic polyphosphazene(MPZS) particles coated by Ag nanoparticles(MPZS-Ag) have been developed as surface enhanced Raman spectroscopy(SERS) substrates for sensitive detection of melamine in aqueous solutions and milk samples.5,5'-Dithiobis-(2-nitrobenzoic acid)(DTNB) was used as model analyte to test the SERS activity of the MPZS-Ag particles.The prepared MPZS-Ag particles possess both magnetic responsiveness and excellent SERS properties.SERS detection of different concentrations of melamine aqueous solutions and spiked milk samples were performed by the MPZS-Ag particles.The limit of detection(LOD) of the melamine in aqueous solutions was 10-7 mol/L(0.0126 mg/L) and 0.6 mg/L in real milk samples using the MPZS-Ag particles as SERS substrates.The LOD of the melamine are much lower than the safety values of Food and Drug Administration and Codex Alimentarius Commission.These results indicate that the MPZS-Ag particles have promising application prospect for SERS analysis in food safety fields.