金纳米星/二氧化钛(GNS/TiO2)纳米复合材料尺寸效应对等离子体增强光催化性能的影响

本研究针对光催化应用中电子-空穴复合率高的问题，通过浸渍法制备金纳米星/二氧化钛(GNS/TiO2)纳米复合材料，系统探究了TiO2粒径(5 nm vs 20 nm)对等离子体协同效应的调控作用。结果表明，5 nm体系展现出更快的染料降解动力学速率(0.241 min-1)和显著增强的光电流响应，为设计高效光催化剂提供了新思路。

　　

在环境治理和清洁能源领域，如何提升半导体光催化效率始终是科学家们关注的焦点。传统二氧化钛(TiO₂)催化剂面临两大瓶颈：一是仅能利用占太阳光5%的紫外光，二是光生电子-空穴对极易复合。近年来，通过贵金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)效应增强光催化活性成为研究热点，但金属-半导体界面尺寸效应的作用机制尚不明确。

King Faisal University的研究团队在《Optical Materials》发表的研究中，创新性地采用具有多尖端结构的金纳米星(Gold Nanostars, GNS)与不同粒径(5 nm和20 nm)的TiO₂复合，系统揭示了尺寸因素对等离子体协同效应的调控规律。通过浸渍法制备的纳米复合材料，结合X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等多尺度表征，证实小尺寸TiO₂能更有效利用GNS尖端产生的"热点"效应。

材料与方法
研究选用商业化的5 nm和20 nm TiO₂纳米颗粒，通过浸渍法负载GNS形成复合材料。采用XRD分析晶体结构，HRTEM观察形貌特征，EDX和SAED进行元素与晶体学分析，氮气吸附-脱附测试比表面积，UV-Vis光谱评估光学性质。光电性能通过光电流测试评价，光催化活性以萘酚绿B染料降解为模型反应。理论计算采用第一性原理研究Au/TiO₂界面电荷转移特性。

XRD分析
衍射图谱显示所有样品均为纯锐钛矿相，5 nm样品表现出明显的峰宽化效应。值得注意的是，GNS特征峰未检出，暗示其高度分散状态，这为后续界面效应研究奠定基础。

光电性能
光电流测试显示5 nm GNS/TiO₂的响应强度是20 nm体系的1.8倍，证实小尺寸TiO₂更利于捕获GNS产生的等离子体激元。这种增强源于量子限域效应降低的带弯曲能，以及更大的比表面积提供的更多活性位点。

光催化降解
在萘酚绿B降解实验中，纯5 nm TiO₂本征活性已是20 nm体系的2.6倍(0.078 vs 0.03 min^-1)。引入GNS后，5 nm复合体系的动力学速率进一步提升至0.241 min^-1，降解时间从19分钟缩短至10分钟，展现出显著的协同效应。

理论计算
第一性原理计算揭示了Au/TiO₂界面存在明显的电荷重排和电势降，5 nm体系界面吸附能更低，有利于染料分子在活性位点的富集。这从电子结构层面解释了小尺寸体系的优越性能。

该研究不仅证实GNS/TiO₂体系中存在"1+1>2"的协同效应，更重要的是揭示了TiO₂粒径对等离子体增强效果的调控机制。5 nm TiO₂凭借其量子限域效应和更大比表面积，能更高效利用GNS尖端产生的电磁场增强，为设计新一代高效光催化剂提供了理论指导。研究团队提出的"尺寸-界面-活性"构效关系模型，对开发适用于污水处理、空气净化的新型光催化材料具有重要参考价值。