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纳米技术的发展,推动了表面等离激元的基础和应用研究。表面等离激元是金属纳米结构中的自由电子在入射光驱动下相对于离子性金属原子核的集体振荡,具有一系列新奇的光学性质,如对可见光的选择性吸收和散射、局域电场增强、电磁波的亚波长束缚等。利用表面等离激元衰减产生的热电子来驱动有机分子的催化反应——表面等离激元催化反应,自2010年被发现以来就引起人们的关注。表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)因其独特的分子指纹信息 以及超灵敏检测优势,已经成功地用于原位实时研究表面等离激元催化反应。表面等离激元催化反应是一个新兴研究方向,其内在的反应机理还有待进一步揭示。本文利用SERS技术,对几种分子的表面等离激元催化反应进行了原位研究,主要工作如下:一、为了探究表面等离激元氧化反应和表面等离激元还原反应的选择性问题,我们选用同时含有氨基和硝基的2-氨基-5硝基苯硫酚(2A-5-NBT)分子作为研究对象。利用SERS技术结合密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)模拟研究了粗糙Ag电极上2A-5-NBT分子的催化反应。发现2A-5-NBT通过硝基缩合选择性还原为3,3’-二巯基-4,4’-二胺基偶氮苯(DM-DAAB)。通过随时间变化的SERS谱,研究了反应环境对该还原反应的影响。相比于在大气环境下,这种选择性还原反应在液相环境下能更好地进行,并且产物很稳定。二、为了揭示石墨烯-金属复合纳米结构上表面等离激元催化反应的机理,利用飞秒激光泵浦-探测瞬态吸收光谱技术和SERS分别对银纳米线、单层石墨烯和石墨烯-Ag纳米线复合体中的超快动力学过程以及在这三种催化体系上对硝基苯硫酚(4NBT)分子的还原反应进行了研究。结果表明,由于单根Ag纳米线的表面等离激元与单层石墨烯的激子之间的耦合,使得热电子的寿命延长了(从飞秒到皮秒),从而使得在石墨烯-Ag纳米线复合体上4NBT生成对巯基偶氮苯(DMAB)的还原反应效率接近100%。三、为了探究对硝基苯胺(PNA)分子在大气环境下的催化反应,利用SERS技术分别研究了在大气环境下,Ag纳米颗粒、石墨烯-Ag纳米颗粒复合体和石墨烯-Ag纳米线复合体上PNA分子的催化反应。研究发现,无论是在Ag纳米颗粒上还是石墨烯-Ag复合纳米结构上,PNA都是通过硝基发生选择性还原反应生成4,4’-二氨基偶氮苯(DAAB),而不是通过氨基发生氧化反应生成4,4’-二硝基偶氮苯(DNAB)。四、除了研究金属-石墨烯复合材料在表面等离激元催化反应中的应用,我们还研究了金属-半导体复合体系——Ag纳米颗粒-Ti02膜复合体在催化反应中的应用。利用紫外-可见吸收光谱,研究了不同Ag颗粒尺寸的Ag纳米颗粒-Ti02膜复合体中等离激元-激子耦合的程度。当Ag纳米颗粒的表面等离激元共振峰与Ti02薄膜中激子的吸收峰重叠时,Ag纳米颗粒-Ti02膜复合体中等离激元与激子的耦合作用最强。利用SERS研究了对氨基苯硫酚(PATP)在强等离激元-激子耦合的复合体上的氧化反应。由于这种强耦合作用,PATP在Ag纳米颗粒-TiO2膜复合体上的反应效率比在纯金属基底上更快,而且生成产物DMAB很稳定。