TiO2/Au/TiO2/Au 堆叠纳米结构：提升光催化活性，开启环境净化新篇

为解决 TiO2在可见光下光催化活性受限的问题，研究人员合成 TiO2/Au/TiO2/Au（IMIM）堆叠纳米结构。结果显示，IMIM 在紫外和可见光下光催化活性显著增强。该研究为环境修复提供了新途径。

　　

在现代社会，人口增长与全球化进程不断加快，农业、工业和医疗保健等重要领域迅速扩张。然而，这也带来了大量的废弃物，导致了严重的空气和水污染。比如，室内空气中充斥着各种有机化合物和微生物，这些污染物悄无声息地威胁着人们的健康，增加了患癌症、肾衰竭等疾病的风险。在这样的背景下，如何高效去除这些污染物，保障人们的生活环境健康，成为了亟待解决的难题。

半导体光催化技术作为一种可持续的净化方法，逐渐走进了人们的视野。它就像是一个神奇的 “净化小能手”，利用光照射产生的活性氧物种（ROS）来去除污染物、灭活细菌。在众多光催化剂中，TiO₂凭借其高催化活性、化学稳定性和无毒的特性，成为了研究的热门对象。但它也有一个 “小缺点”，其高达 3 - 3.2 eV 的带隙能量，使得它在可见光照射下的光催化活性大打折扣，无法有效吸收能量较低的光子。就好比一个运动员，虽然实力很强，但在某些环境下却施展不开拳脚。

为了让 TiO₂在可见光下也能 “大显身手”，各国研究人员绞尽脑汁，尝试了各种方法。有的通过掺杂金属或非金属杂质来调整 TiO₂的能带结构，有的利用等离子体辅助退火引入氧空位来改善其性能，还有的选择用金属纳米颗粒（NPs）对 TiO₂进行修饰。这些方法虽然都取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处。

在这样的研究困境下，国外的研究人员决心开辟一条新的道路。他们提出并制备了一种新型的纳米复合薄膜 ——TiO₂/Au/TiO₂/Au（IMIM）堆叠纳米结构，并将其生长在玻璃基板上。研究人员希望借助这种独特的结构，提升 TiO₂在紫外和可见光照射下的光催化活性，从而为环境修复提供更有效的技术支持。最终，他们的努力取得了令人瞩目的成果。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为相关领域的研究提供了新的思路和方向。

研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。首先是溅射技术，通过溅射 Ti 靶在 Ar/O₂气体中沉积 TiO₂薄膜（TFs），溅射 Au 靶在 Ar 气中沉积 Au NPs。之后进行退火处理，一方面促使 TiO₂形成锐钛矿相，另一方面使 Au NPs 成型。同时，利用光学、电学和 X 射线数据对制备的 IMIM 纳米结构进行表征分析，以此来探究其光催化性能。

下面我们来具体看看研究结果：

• 光学吸收特性：研究人员对 TiO₂薄膜、Au NPs、IM、MIM 和 IMIM 等样品进行光学吸收光谱测试。结果发现，TiO₂薄膜在紫外区域，随着波长减小，吸光度增加，表明其对短波长光吸收较强；而 Au NPs 则在 600 nm 波长附近出现吸收峰，这源于其局部表面等离子体共振（LSPR）效应，意味着它在可见光区域有优先吸收特性。
• 光催化活性评估：研究人员通过测量有机分解和细菌灭活情况来评估光催化活性。在 6000 lx 的高照度下，用波长 365 nm 的紫外光和 600 nm 的可见光照射样品。结果显示，IMIM 纳米结构的有机分解和细菌灭活效果显著增强。随着可见光强度增加，IMIM 的光催化性能比 TiO₂薄膜提升得更明显，并且优于 MIM 和 IM 纳米结构。

研究结论和讨论部分指出，IMIM 纳米结构光催化活性的增强，主要归因于几个关键因素。一方面，在 IMIM 顶部的 TiO₂/Au 界面处，可见光驱动的 LSPR 效应使得 Au NPs 中的热电子转移到 TiO₂中，增加了光生载流子的浓度，就像为光催化反应注入了更多的 “能量燃料”，从而产生了更多的 ROS 来降解污染物和灭活细菌。另一方面，Au NPs 的存在使顶部 TiO₂层产生了更多的氧空位，同时顶部 TiO₂层粗糙的表面也增加了对可见光的吸收，这些都进一步提升了光催化活性。

这项研究意义重大。它成功制备出的 IMIM 堆叠纳米结构，在紫外和可见光照射下都展现出优异的光催化性能，为解决环境污染问题提供了新的技术方案。而且，该研究加深了人们对 IMIM 纳米结构的理解，明确了其提升光催化活性的内在机制，为后续相关领域的研究和应用奠定了坚实的基础，有望在环境修复等领域发挥重要作用，助力我们打造更加清洁、健康的生活环境。