島津原子力顯微鏡——KPFM在光催化中的應用
二氧化鈦（TiO2）是一種寬禁帶N型半導體，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躍遷至導帶，形成自由電子，同時帶正電荷的空穴留在價帶上，從而產生了電子-空穴對。電子和空穴分別發生氧化和還原反應，使反應體系中的原子基團被催化分解，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，所以光激發產生的電子與空穴復合率高，導致光催化效率降低。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。
通過研究發現，加入貴金屬納米顆?？梢蕴岣唠姾赊D移的效率，降低電子與空穴的復合率，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）增強光催化是當前能源、環境領域的一個研究熱點。AuNP和TiO2的復合材料的催化機理已被廣泛研究，反應過程中對表面電荷的分布進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用于掃描探針顯微鏡（SPM）的分析技術，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和復合材料進行表面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-鏈霉親和素復合物可將AuNP有效結合到TiO2顆粒表面。設計實驗，制備兩種樣品，一種是沒有生物素-鏈霉親和素復合物的對照樣品，以及使用生物素-鏈霉親和素復合物的樣品，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-鏈霉親和素復合物與AuNP作用示意圖
AuNP與TiO2 復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行紫外光照射
沒有生物素-鏈霉親和素復合物作用下分散在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-鏈霉親和素復合物（藍色），有生物素-鏈霉親和素復合物（紅色）時AuNP對TiO2表面的相對電位統計對比
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行統計分析。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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