应用瓦里安紫外可见分光光度计测试新型纳米复合材料吸收边和能隙

　

摘 要

应用瓦里安紫外可见分光光度计配置漫反射附件测定了新型纳米复合材料的反射光谱，基于反射光谱，得出了样品的紫外吸收边和能隙。

 

前 言

纳米复合材料由于其在下一代光电器件方面的潜在应用吸引了越来越多研究者的兴趣，纳米尺寸的粒子常表现出一些特殊的性质，例如：量子效应；光化学和光催化系统中光致电子和空穴具有更短的干涉迁移距离和时间^{【1、2、3】}；薄膜传感器更高的灵敏度等。

低温下，纳米尺寸的插层体系也为复合功能材料的制备提供了更多的可能性。插层材料由于具有更宽的半导体能隙在化学传感器方面具有非常大的潜在用途。插层工艺可以部分地改变原材料的物理性能，最终影响到电子/离子迁移，在特定条件下，空穴－电子的再结合由于电荷从插层的客体转移到半导体受体层而完全停止。在半导体胶体/电解液接触面上的光电化学工艺由于其在光能转化为化学能方面的潜在应用吸了很多人的注意^【1】。

本文将就紫外可见漫反射光谱计算纳米复合材料吸收边和能隙进行讨论，其中的部分工作是由RMIT University应用化学系半导体和微器件化学研究组完成的。

 

原 理

瓦里安Praying Mantis DRA漫反射附件专门为测试漫反射而设计，光照射在水平放置的样品上面，漫反射出来的光由两个安置在样品上面的半球面反射镜收集，然后将出射光导到仪器检测器进行检测（图1）。Praying Mantis DRA特别适合于需要水平放置的样品（例如粉末、液体、凝胶等）或者微小的样品（3mm直径）的测试。

图1 Praying Mantis DRA漫反射附件及其光路图

吸收边和带隙定义为固体样品（一般是半导体）的光谱在短波处较强的吸收和长波处较弱的吸收的转折点。透明的固体样品，用透射的方法测定吸收光谱计算吸收边；对于粉末材料，则应该用漫反射附件测定漫反射光谱计算吸收边，它可以提供更加精确的测定结果。

 

材料和方法

瓦里安Cary 500紫外可见近红外分光光度计

Praying Mantis DRA漫反射附件

Cary 500扩展样品室

具体的订货编号见参考5

 

仪器设置

将Praying Mantis DRA漫反射附件装入Cary 500紫外可见近红外分光光度计并校准，校准方法见软件帮助视频^【6】。运行Cary Win UV软件的Scan扫描模块，按照图2所示设置Cary项下的参数啊：

Options项下：

‘SBW’ (spectral bandwidth; nm)谱带宽度：2nm

‘Beam mode’ 光束方式：‘Double’双光束

‘Slit height’狭缝高度：‘Reduced’ 降低的

Baseline项下：

选择Zero/baseline

 

用漏斗将粉末样品装入Praying Mantis DRA漫反射附件配置的标准样品池里面，先装满，然后用平的刀片沿着样品池的表面将样品刮平同时将多余的样品刮掉。尽量使每次得到一样的样品表面平坦度和装填密度，以提高测试的重复性，这一点在定量分析时非常重要。所有的样品光谱图都是以TeflonTM粉末为背景的，TeflonTM粉末的装填与前面提到的样品装填方法一样。

 

结果与讨论

纳米复合材料及其原料的漫反射光谱如图3所示，从图中可以得出化合物的吸收边数值，由吸收边数值可以计算得到每个样品的能隙，结果见表1。

图3 纳米材料的漫反射光谱图

a. TiO₂

b. K₂Ti₄O₉

c. (C₃H₇NH₃)₂Ti₄O₉

d. C₆H₁₂(NH₃)₂Ti₄O₉

e. (Fe₃(CH₃COO)₇OH)Ti₄O₉

 

表1 纳米复合材料及其原料的吸收边和能隙

化合物	吸收边（nm）	能隙（Eg,eV）
TiO2	370	3.35
K2Ti4O9	310	4.00
(C3H7NH3)2Ti4O9	387	3.20
C6H12(NH3)2Ti4O9	384	3.23
(Fe3(CH3COO)7OH)Ti4O9	510	2.43

 

原料TiO₂计算得到的结果与文献报导的一致^【1、7】，TiO2能隙值与粒子的尺寸关系很大，较小的能隙值意味着相对高的装填密度^【7】；与TiO2相比，插层的K₂Ti₄O₉能隙相对较高，结果与文献报道也一致^【1】；与之相对，烷氨基和金属离子的加入导致能隙显著的降低，两种含烷氨基的化合物都表现出了相似的性质；在测定的几种化合物中，加入铁离子的化合物具有最低的能隙。

 

结 论

应用配备Praying Mantis DRA漫反射附件的Cary 500紫外可见近红外分光光度计测试了新型纳米复合材料的紫外可见反射光谱，根据这一光谱，计算得到了材料的吸收边和能隙，并对几种不同的材料的结果进行了比较。

对RMIT University应用化学系和Cooperative Research Centre for Microtechnology在研究中提供的帮助表示感谢！同时感谢Varian Australia Pty Ltd提供Cary 500紫外可见近红外分光光度计和Praying Mantis DRA漫反射附件！

 

 

参 考

1. Uchida, S., Yamamoto, Y., Fujishiro, Y., Watanabe, A., Ito, O., and Sato, T.,‘Intercalation of titaniumoxide in layered H₂Ti₄O₉ and H₄Nb₆O₁₇ and photocatalytic water cleavage with H₂Ti₄O₉/(TiO₂, Pt) andH₄Nb₆O₁₇/(TiO₂, Pt) nanocomposites’, J. Chem. Soc.,Farady Trans., 93(17) 1997 3229.

2. Sato, T., Yamamoto, Y., Fujishiro, Y., and Uchida, S., ‘Intercalation of iron oxide in layered H₂Ti₄O₉ and H₄Nb₆O₁₇: Visible-light induced photocatalytic properties’, J. Chem.Soc., Farady Trans., 92(24) 1996 5089.

3. Sato, T.,Masaki, K., Sato, K., Fujishiro, Y., and Okuwaki, A., ‘Photocatalytic properties of layered hydrous titanium oxide/CdS-ZnS nanocomposites incorporating CdS-ZnS into the interlayer’, J. Chem. Tech. Biotechnol., 67 1996 339.

4. Perkampus, H.-H., ‘Encyclopedia of Spectroscopy’, VCH, 1995 (ISBN 3-527-29281).

5. Part numbers:

Varian Cary 500 UV-Vis-NIR Spectrophotometer:   00 100710 00

Praying Mantis DRA:                          00 100469 00

Cary 400/500 Extended Sample Compartment:      00 100466 00

CaryWinUV Scan Software 85                   101584 00

6. CaryWinUV Scan Software, ‘Cary Help’, Version 2.0

7. Hsien, Y.-H., Chang, C.-F., Chen, Y.-H., and Chen, S., ‘Photodegradation of aromatic pollutants in water over TiO2 supported on molecular sieves’, Applied Catalysis B:Environmental, 31 2001 241.