二氧化鈦（TiO2）是一種寬禁帶N型半導(dǎo)體，其表面受到光的照射時，若光子的能量大于或等于其禁帶寬度（波長低于400nm的紫外光），價帶的電子將受到激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，形成自由電子，同時帶正電荷的空穴留在價帶上，從而產(chǎn)生了電子-空穴對。電子和空穴分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，使反應(yīng)體系中的原子基團(tuán)被催化分解，完成光催化的功能。因此TiO2納米顆粒有良好的光催化功能。但是因為TiO2納米顆粒吸收截面非常小，所以光激發(fā)產(chǎn)生的電子與空穴復(fù)合率高，導(dǎo)致光催化效率降低。如何提高TiO2納米顆粒對近紫外光的吸收截面是提升其光催化性能的一條重要途徑。

通過研究發(fā)現(xiàn)，加入貴金屬納米顆?？梢蕴岣唠姾赊D(zhuǎn)移的效率，降低電子與空穴的復(fù)合率，從而提高其光催化性能。其可能的原因是貴金屬納米顆粒與光相互作用時表面產(chǎn)生等離子體共振，完成了能量傳遞，增加了光催化能力。

金納米顆粒（AuNP）增強(qiáng)光催化是當(dāng)前能源、環(huán)境領(lǐng)域的一個研究熱點。AuNP和TiO2的復(fù)合材料的催化機(jī)理已被廣泛研究，反應(yīng)過程中對表面電荷的分布進(jìn)行觀察可以有效闡明催化過程。原子力顯微鏡的開爾文探針力顯微鏡（KPFM）功能是一種將開爾文定律應(yīng)用于掃描探針顯微鏡（SPM）的分析技術(shù)，不僅可以測量樣品的表面形狀，還可以測量樣品的表面電位分布。

因此，嘗試在紫外光照射下的對AuNP和復(fù)合材料進(jìn)行表面KPFM掃描，可表征樣品表面上的光致電荷分布（電荷分離）。

利用生物素-鏈霉親和素復(fù)合物可將AuNP有效結(jié)合到TiO2顆粒表面。設(shè)計實驗，制備兩種樣品，一種是沒有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物的對照樣品，以及使用生物素-鏈霉親和素復(fù)合物的樣品，在照射紫外光及不照射紫外光的條件下，分別測量固定在TiO2上的AuNP的表面電位分布，以可視化光致電荷分布。

生物素-鏈霉親和素復(fù)合物與AuNP作用示意圖

AuNP與TiO₂ 復(fù)合材料表面電位分布測量圖

島津SPM-9700HT使用光照射單元通過光纖對樣品表面進(jìn)行紫外光照射

沒有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物作用下分散在TiO2表面上的AuNP形貌圖與電勢分布圖

有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物作用下分散在TiO2表面上的AuNP形貌圖與電勢分布圖

從上面兩組圖可以看出，這兩種樣品，在紫外光照射時AuNP的相對電位都低于TiO2表面的相對電位。

沒有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物（藍(lán)色），有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物（紅色）時AuNP對TiO2表面的相對電位統(tǒng)計對比

將兩種樣品在有紫外光照射和沒有紫外光照射情況下的表面電位進(jìn)行統(tǒng)計分析。白色框圖柱表示沒有紫外光照射，顏色柱表示有紫外光照射。誤差條顯示6-7個粒子的測量值的中值±IQR。當(dāng)AuNP形成組裝體時，在紫外光照射下AuNP與TiO2表面的相對電位顯著降低。

本實驗通過在紫外光照射下通過KPFM測量表面電位分布，實現(xiàn)了固定在TiO2上的AuNP雜化物的光致電荷分布的可視化。這表明使用SPM的KPFM 模式，輔助以光照射單元可以有效地觀察光催化是表面的電荷分離情況。

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