光子晶体慢光子效应在光催化方面的研究进展

太阳能在光催化领域的应用已被人们广泛研究,而光子晶体的独特周期性结构,可促进光子的捕获,同时控制光与物质的相互作用,进而提高半导体材料的光利用率。研究表明,光子晶体的慢光子效应在其中起着重要作用。简要阐述了光催化领域目前提高光利用率的常用方法,介绍了光子晶体及其基本特性,重点讨论了光子晶体的慢光子效应在光催化方面的应用研究,最后对其在光催化领域的研究和发展趋势进行了展望。

光子晶体在光催化领域的研究进展

光子晶体是由具有不同介电常数的物质,在空间按照周期性排列形成具有光子带隙的介电结构材料。光子带隙中的慢光子和带隙反射可以促进光子的捕获和控制光与物质之间的相互作用。基于光子晶体独特的光学特性和较大的比表面积,将光子晶体结构引入到半导体光催化材料的设计中,可以有效地增强光催化反应活性。本文介绍了三维光子晶体的制备方法及慢光子效应,总结了光子晶体特别是反蛋白石结构的光子晶体作为光催化剂在废水净化、制氢、二氧化碳的转化等领域的研究进展,并针对光子晶体光催化剂面临的挑战,提出了开发具有不同折射率和周期性的多层三维光子晶体,促进光子晶体在光催化领域的应用。

三联噻吩衍生物功能化SiO_(2)反蛋白石光子晶体荧光薄膜的制备及应用

将单分散聚苯乙烯微球乳液与SiO_(2)溶胶均匀混合后,于恒温恒湿条件下,竖直沉积共组装制备得到蛋白石型光子晶体薄膜,然后利用牺牲模板法制得SiO_(2)反蛋白石光子晶体薄膜.该薄膜依次经过浓硫酸与过氧化氢混合液、3-氨丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液、三联噻吩的三氯甲烷溶液和硼氢化钠的甲醇溶液处理后,得到三联噻吩衍生物功能化的SiO_(2)反蛋白石光子晶体.结果表明,制备得到的光子晶体薄膜在512 nm处有荧光发射,经紫外辐射后荧光猝灭,甲醛气氛下458 nm处又出现新的荧光发射峰.在甲醛气氛下20 s即可观察到荧光发射,空气氛围下可恢复,10次循环仍可保持强的荧光发射,可重复性良好.以无反蛋白石光子晶体结构的三联噻吩衍生物的平滑膜与甲醛作用的体系作为参比,以330和400 nm聚苯乙烯微球为模板制备的三联噻吩功能化反蛋白石光子晶体,在甲醛气氛中发射的荧光分别增强47.5和78.6倍.这是由于光子晶体光子禁带的红带边和蓝带边与荧光发射波长相重叠,产生了慢光子效应,极大地增强了发射的荧光强度.

AIE聚合物反蛋白石光子晶体荧光薄膜检测四氢呋喃气体

建立高灵敏检测易挥发有机溶剂的方法。采用牺牲模板法制备了具有三维大孔结构的SiO_(2)反蛋白石光子晶体薄膜,填充具有聚集诱导发光效应(AIE)的聚四苯基乙烯衍生物(TPEP),得到对四氢呋喃气体敏感的光子晶体荧光传感薄膜。该薄膜在464 nm处发射荧光,当置于四氢呋喃气体氛围中,发生荧光猝灭。选择光子禁带蓝带边与荧光发射波长相重叠的光子晶体,并利用其慢光子效应增强荧光特性,实现了对四氢呋喃气体的高灵敏检测,最低检测浓度为24.6μmol/L。该薄膜2 min内即可对四氢呋喃响应,选择性好,重新置于空气中四氢呋喃挥发后荧光恢复,可以实现重复使用,为四氢呋喃气体的检测提供了一种新的方法。通过修饰不同的功能分子,可以设计构筑检测不同目标分析物的光子晶体荧光传感薄膜。

一种Hg^(2+)敏感的反蛋白石光子晶体荧光传感薄膜

报道了一种罗丹明B衍生物(RM)填充的SiO_(2)反蛋白石光子晶体薄膜作为荧光传感平台,实现了对Hg^(2+)的高灵敏、高选择性、可重复性检测。RM与Hg^(2+)发生专一的配位作用,其产物RMHg^(2+)在585 nm处发射荧光。当所选光子晶体的光子禁带蓝带边与荧光波长重叠时,光子晶体的慢光子效应能够有效增强RM-Hg^(2+)的荧光强度,提高检测Hg^(2+)的灵敏度,最低检出限为2.1 nmol/L,且具有良好的选择性和抗干扰性。此外,基于Hg^(2+)与EDTA更强的络合作用,传感薄膜可被EDTA再次激活而重复用以检测Hg^(2+)。该光子晶体荧光传感薄膜为设计检测其他金属离子传感平台提供了新策略。

酸碱气体敏感的反蛋白石光子晶体荧光传感薄膜

构筑挥发性酸碱气体检测荧光传感薄膜。利用慢光子效应增强荧光的特性,在具有三维大孔结构的SiO_(2)反蛋白石光子晶体孔隙填充功能有机小分子(HPQ-AC),实现了对NH_(3)和HCl气体的高效连续检测。将所制的传感薄膜置于NH_(3)氛围中,30 s内在496 nm处发射强的荧光。通过选择光子禁带蓝带边与荧光发射波长重叠的光子晶体,实现对NH_(3)的荧光传感;当继续暴露于HCl气体氛围中,光子晶体传感薄膜的荧光发生猝灭,实现了对HCl气体的高效检测。所构筑的反蛋白石光子晶体薄膜实现了对酸碱气体的连续检测,也为开发其他气体荧光传感器提供了思路。