铜纳米颗粒嵌入TiO2复合薄膜的原子层沉积制备及其光催化性能增强机制

本文通过原子层沉积（ALD）技术将铜纳米颗粒（Cu NPs）原位嵌入TiO2薄膜基质，系统研究了其结构调控与光催化性能的关联。研究表明，Cu NPs的局域表面等离子体共振（LSPR）效应显著提升薄膜可见光吸收，并通过肖特基结（Schottky junction）促进电荷分离，最终实现甲基蓝（MB）的高效光降解。

　　

Highlight

本研究采用原子层沉积（ALD）技术，在250°C下于硅、石英或玻璃基底上生长TiO₂-Cu复合薄膜。通过调控铜前驱体（Cu(OAc)₂）的脉冲次数，实现铜纳米颗粒（Cu NPs）尺寸与分布的可控嵌入。

结构及化学组成

X射线衍射（XRD）分析显示，纯TiO₂样品呈现典型的锐钛矿相（anatase），而低铜含量样品（TiO₂-Cu25）中检测到微弱的Cu(111)衍射峰。随着铜含量增加，X射线光电子能谱（XPS）证实金属铜比例显著上升，拉曼光谱则显示TiO₂晶格振动模式因Cu嵌入产生位移。

结论

通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）证实，Cu NPs的尺寸与浓度可通过ALD前驱体脉冲数精准调控。TiO₂-Cu25样品展现出最优的光催化性能，其甲基蓝降解效率较纯TiO₂提升3倍，归因于Cu NPs的LSPR效应与高效的"热电子"（hot electrons）注入机制。该研究为开发稳定、可重复使用的太阳能驱动光催化剂提供了新策略。