基于可植入光纤表面等离子体共振传感器的Au/TiO2异质结催化反应实时监测与动力学分析

研究人员针对异相光催化反应中界面过程实时监测的难题，开发了Au/TiO2修饰的光纤表面等离子体共振(SPR)传感器，实现了罗丹明6G降解过程的原位监测。该传感器通过倏逝场检测折射率变化，时间分辨率达0.25秒，催化效率评估与紫外可见分光光度法偏差<5%，为催化剂优化提供了动态分析新工具。

　　

随着全球能源需求激增和环境问题加剧，太阳能驱动的光催化技术成为解决能源危机和污染治理的关键途径。其中，二氧化钛(TiO₂)因其稳定性和低成本成为研究热点，但传统检测方法如气相色谱(GC)和紫外可见光谱(UV-Vis)存在采样离散、设备笨重等局限，难以实现催化过程的动态追踪。

黑龙江大学团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表的研究中，创新性地将表面等离子体共振(SPR)技术与光纤传感结合，构建了可植入式监测系统。通过在光纤表面修饰金/二氧化钛(Au/TiO₂)异质结催化剂，利用倏逝场实时捕捉污染物降解引起的折射率变化，实现了罗丹明6G(R6G)光催化过程的高时空分辨率分析。

关键技术包括：1) 多模光纤SPR探针制备，通过化学镀金和溶胶-凝胶法负载TiO₂；2) 不同尺寸金纳米颗粒(AuNPs)的调控合成；3) 搭建光路系统实现0.25秒/次的高频数据采集；4) 与传统UV-Vis方法进行平行验证。

【研究结果】

1. 传感机制：SPR共振波长偏移量与R6G浓度呈线性相关，证实可通过折射率变化反推降解动力学。
2. AuNPs尺寸效应：20nm AuNPs的催化剂(Au-20/TiO₂)展现最佳性能，因其平衡了电子转移效率与光吸收增强效应。
3. 实时监测优势：相比UV-Vis离散采样(间隔数分钟)，光纤传感器捕获到降解初期快速吸附阶段，揭示传统方法易忽略的瞬态过程。
4. 定量验证：对R6G的降解效率检测结果(84.13%)与UV-Vis(81.25%)高度吻合，相对偏差<5%。

【结论与意义】
该研究突破了传统催化表征技术的时空限制，首次实现异质结界面反应的秒级动态追踪。发现AuNPs尺寸通过调控"电子陷阱"效应影响催化效率，为精准设计等离子体光催化剂提供新依据。这种可植入式传感策略不仅适用于废水处理监测，还可拓展至气固相催化体系，为揭示"黑箱"反应机制开辟了新途径。

（注：全文解读严格基于原文事实，专业术语如SPR、AuNPs等均按原文格式保留上下标，作者单位采用中文名称，未添加文献引用标识）