为了有效去除环境中的农药和微量化学物质等微污染物，我们需要一种灵活的小型解决方案。光催化是一种潜在的方法，它利用阳光驱动的半导体纳米材料来吸附并降解材料表面的有毒化学物质。
康奈尔大学的研究团队采用了一种新型高分辨率光学成像技术，以深入理解在半导体二氧化钛(TiO2)上添加金颗粒作为助催化剂的吸附机制。他们发现，金颗粒能够在半导体表面大范围内（超过1微米的距离）增强吸附效果。这一发现有助于提高光催化去除废水中微污染物的效率。
研究成果已于7月19日发表在《自然催化》杂志上。论文的第一作者是前康奈尔大学博士后研究员赵明，现任职于新加坡国立大学。该项目由文理学院的Peter J.W. Debye化学教授陈鹏领导，他也是论文的资深作者。
金增强的二氧化钛是一种常见的光催化形式，这也是陈团队选择这种组合的原因。他们希望使用成熟的模型系统。一个重要的进展是新的成像方法：adCOMPEITS，基于吸附竞争成像技术，具有超分辨率，建立在实验室之前设计的过程之上。
在adCOMPEITS中，荧光探针分子吸附在粒子表面并进行荧光成像。随后，一个非荧光微污染物分子被引入表面，与荧光探针竞争吸附。探针吸附量的减少——实际上是产生负图像——可以通过超高分辨率进行测量和绘制。
该团队利用该方法量化了在不同反应和非反应条件下对两种典型微污染物的吸附情况，即农药甲基哌啶磷和增塑剂邻苯二甲酸二乙酯。
陈表示：“我们测量了TiO2纳米棒表面不同位置的吸附量，特别是在金颗粒附近和远离金颗粒的位置。”他补充道：“金纳米颗粒的尺寸仅为100纳米，我们发现它能够增强几微米外的吸附效果，这个距离是目前的10倍。”
这种范围的增加是由于金颗粒改变了TiO2表面的电子特性，这种现象被称为表面能带弯曲，陈的实验室之前研究过具有二维特性的三维半导体粒子。
陈指出：“条带弯曲不仅在其所在位置发生，而且沿着TiO2表面延伸。”他解释说：“这种能带弯曲呈指数衰减，可以延伸到微米远，从而实现远程吸附增强。”
这一发现证明了使用金属纳米颗粒（如金）作为共催化剂的独特优势：只需少量金属纳米颗粒即可增强半导体上的吸附。这可能有助于解决光催化的一个挑战，即在将太阳能转化为化学反应时，光催化的转换效率通常较低。除了光催化应用外，这一技术还可用于传感器和染料敏化太阳能电池等工艺。
“这种远程增强的效果应该具有广泛的适用性，”陈说。“在这一点上，人们可以考虑使用具有不同电子特性的多种助催化剂来增强多种半导体。”
共同作者包括前博士后研究员李文杰、杨慕文、叶荣、毛贤文；博士生赵志恒和保罗·帕吉特。
这项研究得到了美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室、催化科学计划和陆军研究办公室的支持。
研究人员利用了康奈尔材料研究中心的资源。
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希望本篇文章《微污染物降解中的点金术创新应用》能对你有所帮助！
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