铁掺杂TiO2 纳米薄膜的电子结构调控与抗菌性能增强机制研究

本研究针对TiO2 可见光响应差和载流子复合快的问题，通过溶胶-凝胶法制备Fe掺杂TiO2 纳米薄膜，结合AFM、XPS、UPS等表征技术，揭示Fe3+ 取代Ti位点导致带隙窄化（3.42→3.22 eV）和费米能级下移的机制，证实5 wt.% Fe掺杂样品对大肠杆菌的抗菌效率提升源于Fe d-d跃迁促进的ROS生成，为设计新型抗菌涂层提供理论依据。

　　

【研究背景】
在抗菌材料领域，二氧化钛(TiO₂
)因其优异的光催化性能和生物相容性备受关注，但3.2 eV的宽带隙使其仅能响应占太阳光5%的紫外光。更棘手的是，光生电子-空穴对的快速复合严重制约其实际应用。虽然过渡金属掺杂被证明是改善性能的有效策略，但铁(Fe)掺杂TiO₂
纳米薄膜中电子结构修饰与抗菌活性的构效关系仍不明确。

为此，来自阿尔及利亚科学研究总署(DGRSDT)支持的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表论文，通过溶胶-凝胶法制备不同Fe含量(0-7 wt.%)的TiO₂
薄膜，首次系统揭示了Fe掺杂诱导的电子结构重构如何通过调控缺陷态增强抗菌性能。研究创新性地将紫外光电子能谱(UPS)与反射电子能量损失谱(REELS)联用，证实最优掺杂浓度下费米能级下移0.35 eV，为理解材料表面氧化还原电位提升提供了直接证据。

【关键技术】
研究采用溶胶-凝胶浸渍镀膜技术制备样品，通过原子力显微镜(AFM)分析表面形貌演变，拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)表征晶体结构和化学态变化，紫外-可见光谱(UV-Vis)和光致发光谱(PL)测定光学性质，结合UPS/REELS和霍尔效应测试解析电子结构参数，最后以大肠杆菌为模型评估抗菌性能。

【研究结果】

1. 形貌研究：AFM结果
   Fe掺杂(3-7 wt.%)使薄膜表面从无序纤维状转变为致密颗粒结构，5 wt.%样品表面粗糙度降低42%，接触面积增加有利于细菌吸附和光催化反应。

2. 结构研究：拉曼结果
   所有样品保持锐钛矿相，但144 cm^-1
   的E_g
   峰宽化表明Fe³⁺
   替代Ti⁴⁺
   位点引起晶格畸变，XPS证实Ti³⁺
   和氧空位缺陷减少，Fe 2p_3/2
   结合能710.8 eV处峰证实Fe³⁺
   成功掺杂。

3. 光学与电子特性
   UV-Vis显示吸收边红移，Tauc公式计算带隙从3.42 eV(未掺杂)降至3.22 eV(5 wt.%)。PL谱中480 nm处激子发射增强，说明Fe d-d跃迁形成带隙内态。霍尔测试显示5 wt.%样品载流子浓度达1.6×10¹⁸
   cm^-3
   ，比未掺杂高两个数量级。

4. 表面电子结构
   UPS测得5 wt.%样品功函数增加0.8 eV，REELS证实费米能级下移形成表面电子耗尽层，增强羟基自由基(·OH)生成能力。

5. 抗菌性能
   可见光照射4小时后，5 wt.% Fe-TiO₂
   对大肠杆菌灭活率达98%，优于未掺杂样品(35%)，ROS检测证实超氧自由基(O₂
   ^-
   )产量提升3倍。

【结论与意义】
该研究建立了Fe掺杂浓度-电子结构-抗菌活性的定量关系：5 wt.% Fe通过形成替代性缺陷和带隙内态，协同优化载流子分离效率与表面氧化能力。UPS/REELS首次证实掺杂诱导的费米能级偏移是提升抗菌性能的关键，为"缺陷工程"设计抗菌材料提供新思路。研究成果不仅适用于医疗器械涂层，其电子结构调控策略还可拓展至光电器件领域。