Ag-TiO2-Graphene復(fù)合結(jié)構(gòu)的拉曼增強特性研究.pdf

1、表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering，簡稱SERS)是目前重要的分子痕量檢測技術(shù)之一?；诮?Au)、銀(Ag)等貴金屬粗糙表面的SERS基底可以對吸附在其表面的分子產(chǎn)生很強的電磁增強效果，使分子的拉曼信號增強。目前的SERS基底還存在化學(xué)穩(wěn)定性弱、均勻性差、SERS特性低、不可重復(fù)使用等缺點。自2009年Xie等人首次發(fā)現(xiàn)石墨烯增強拉曼散射(Graphene-enhanced Raman

2、 scattering，簡稱GERS)以來，將石墨烯的高化學(xué)穩(wěn)定性能及化學(xué)增強特性與貴金屬納米粒子的電磁增強特性相結(jié)合的石墨烯/貴金屬復(fù)合SERS基底已成為SERS基底的研究熱點。二氧化鈦(TiO2)可在紫外光的照射下產(chǎn)生光生電子-空穴對(e??h+)，使其周圍的分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。將TiO2這種光催化特性應(yīng)用在SERS基底的自清潔功能上可以提高基底的使用壽命。同時，利用石墨烯極高的載流子遷移速率在石墨烯/光催化半導(dǎo)體的復(fù)合結(jié)構(gòu)中可以

3、起著抑制光生電子-空穴對復(fù)合從而提高光催化效率的作用?；谏鲜鋈N材料的光學(xué)特性，本文將貴金屬納米材料、光催化半導(dǎo)體與石墨烯相結(jié)合得到復(fù)合結(jié)構(gòu)用以研究其在基底制備和基底均勻性、SERS特性、光催化性能提升中的應(yīng)用。具體研究內(nèi)容包括：
　　①研究了銀納米粒子和石墨烯復(fù)合SERS基底(Ag nanoparticles/Graphene，Ag/G)的制備方法及其光學(xué)特性。采用簡單、環(huán)保和低成本的化學(xué)還原法制備Ag納米顆粒，采用偶聯(lián)劑(3

4、-aminopropyltrimethoxysilane，APTMS)吸附的方法來提高Ag納米顆粒在目標基底上的均勻性。采用退火處理的方法來抑制Ag納米顆粒表面殘留有機物所帶來的拉曼背景噪聲。結(jié)合Ostwald熟化理論，研究了退火溫度對Ag，Ag-G和G-Ag三種基底上Ag納米粒子形貌的影響。采用提高APTMS體積分數(shù)、增長Ag溶膠沉積時間提高Ag納米粒子直徑的方法，縮小粒子間間距，進一步提高基底的SERS活性；實驗結(jié)果顯示三種基底上R

5、6G拉曼光譜RSD值均小于22％，基底均勻性好；450℃退火能夠有效去除基底的背景噪聲；APTMS體積分數(shù)為10%，Ag溶膠沉積時間為48小時制備的SERS基底增強因子(enhancement factor，EF)高達107；
　　②研究TiO2、TiO2-G和G-TiO2三種光催化基底的制備方法、拉曼特性和光催化性能。通過區(qū)域拉曼光譜分析及原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)分析，研究了TiO2

6、-G基底上石墨烯對TiO2納米粒子的團聚效應(yīng)，以及該效應(yīng)對復(fù)合基底上TiO2拉曼光譜強度的影響，利用AFM數(shù)據(jù)重建，構(gòu)建仿真模型進行，驗證實驗結(jié)果。研究二氧化鈦和石墨烯的復(fù)合基底(TiO2/G)中，TiO2和石墨烯拉曼光譜與復(fù)合基底結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，分析石墨烯拉曼光譜的峰移和峰強變化。研究三種光催化基底的光催化特性，提出具有高電子遷移率的CVD石墨烯可以提高TiO2的光催化性能。實驗表明：G-TiO2基底的光催化速率最大，TiO2-G次之

7、，TiO2基底的光催化速率最小。該研究內(nèi)容為后續(xù)Ag納米粒子、TiO2、石墨烯復(fù)合SERS基底(Ag/TiO2/G)的SERS特性和光催化性能研究提供了理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。
　?、垩芯苛薃g-TiO2-G、Ag-G-TiO2和G-Ag-TiO2三種光催化SERS基底的制備和表征。通過區(qū)域拉曼光譜分析研究三種Ag/TiO2/G復(fù)合基底本身的拉曼光譜中石墨烯和TiO2拉曼特征峰強度存在差異；通過對R6G分子的區(qū)域拉曼光譜分析，研究三種

8、復(fù)合基底的SERS性能與基底結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并利用仿真驗證實驗結(jié)果；利用紫外光照射三種基底，每隔一段時間測試基底上R6G的拉曼光譜強度研究三種基底的光催化特性，并對光催化過程進行理論分析。結(jié)果表明：三種結(jié)構(gòu)的SERS活性從高到低依次為：G-Ag-TiO2>Ag-G-TiO2>Ag-TiO2-G，且R6G增強因子高達106；光照前30分鐘三種結(jié)構(gòu)光催化性能從高到低依次為：Ag-G-TiO2>Ag-TiO2-G>G-Ag-TiO2，光照時間