Нанокомпозиты оксидов металлов с плазмонными наночастицами для фотокатализаторов и газовых сенсоров
С.С. Налимова1, З.В. Шомахов2
1 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
2 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.696
Обзор
Аннотация: Увеличение поглощения света в видимой области модифицированных плазмонными наночастицами оксидов металлов делает их отличными материалами для фотокатализаторов и резистивных газовых сенсоров с оптической активацией. Рассмотрены фотокаталитические свойства нанокомпозитов плазмонных наночастиц с оксидами металлов. Проанализированы основные результаты исследования фотокаталитической активности разложения различных органических красителей. Влияние металлических наночастиц на фотокаталитические свойства объясняется формированием барьера Шоттки, а также эффектом локального поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР). Роль барьера Шоттки, образующегося на границе металл-полупроводник, заключается в эффективном разделении и переносе носителей заряда внутренним электрическим полем. Увеличение эффективности фотодеградации красителей связано с разделением электронно-дырочных пар и снижением скорости рекомбинации. За счет ЛППР увеличивается поглощение света, что приводит к увеличению генерации активных носителей заряда. Обобщены результаты, полученные различными авторами, по исследованию отклика композитных структур оксидов металлов с плазмонными наночастицами, к окисляющим и восстанавливающим газам при различных экспериментальных условиях. Основной причиной увеличения отклика является увеличение концентрации адсорбированных ионов кислорода при переходе к ним фотогенерированных в плазмонных наночастицах электронов. Механизм влияния эффекта поверхностного плазмонного резонанса на свойства химических полупроводниковых газовых сенсоров и фотокатализаторов связан с процессами формирования барьера Шоттки при контакте благородного металла и полупроводника, прямого переноса электронов, локального усиления электрического поля и плазмонного резонансного переноса энергии.
Ключевые слова: наночастицы, оксид металла, фотокатализаторы, газовые сенсоры, локализованный поверхностный плазмонный резонанс
- Налимова Светлана Сергеевна – к.ф.-м.н., доцент кафедры микро- и наноэлектроники , ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
- Шомахов Замир Валериевич – к.ф.-м.н., директор института электроники, робототехники и искусственного интеллекта, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
Ссылка для цитирования:
Налимова, С.С. Нанокомпозиты оксидов металлов с плазмонными наночастицами для фотокатализаторов и газовых сенсоров / С.С. Налимова, З.В. Шомахов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 696-711. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.696. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Koppala, S. Hierarchical ZnO/Ag nanocomposites for plasmon-enhanced visible-light photocatalytic performance / S. Koppala, Y. Xia, L. Zhang et al. // Ceramics International. – 2019. – V. 45. – I. 12. – P. 15116-15121. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.04.252.
2. Muthukumar, P. Plasmonic nanoparticles doped metal oxide hybrid materials for efficient photocatalytic dye degradation and strong anti-biofilm activity / P. Muthukumar, D. Yuvapriya, D. Selvakumar et al. // Materials Science and Engineering: B. – 2023. – V. 296. – Art. № 116688. – 9 p. DOI: 10.1016/j.mseb.2023.116688.
3. Liu, J. A novel plasmonic Z-scheme photocatalyst for solar-light-driven degradation of naphthalene in seawater: Degradation pathways and mechanism insight / J. Liu, X. Xu, S. Song et al. // Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2024. – V. 12. – I. 3. – Art. № 113019. – 16 p. DOI: 10.1016/j.jece.2024.113019.
4. Girija, N. Redox participation and plasmonic effects of Ag nanoparticles in nickel cobaltite-Ag architectures as battery type electrodes for hybrid supercapacitor / N. Girija, S.S. Kuttan, J.P. Jyothibasu et al. // Electrochimica Acta. – 2022. – V. 412.– Art. № 140141. – 13 p. DOI: 10.1016/j.electacta.2022.140141.
5. Waketola, A.G. Recent progress in silver and gold nanoparticle-based plasmonic organic solar cells / A.G. Waketola, N.A. Tegegne, F.G. Hone // Plasmonics. – 2025. – V. 20. – P. 5521-5556. DOI: 10.1007/s11468-024-02430-1.
6. Khodaie, A. Development of an advanced multimode refractive index plasmonic optical sensor utilizing split ring resonators for brain cancer cell detection / A. Khodaie, H. Heidarzadeh, F.V. Harzand // Scientific Reports. – 2025. – V. 15.– Art. № 433. – 12 p. DOI: 10.1038/s41598-024-84761-x.
7. Islam, M.A. Plasmonic biosensors for health monitoring: inflammation biomarker detection / M.A. Islam, J.-F. Masson // ACS Sensors. – 2025. – V. 10. – I. 2. – P. 577–601. DOI: 10.1021/acssensors.4c03562.
8. Weyrauch, I. Recent developments in the design of photoactivated metal oxide gas sensors and application of plasmonic nanoparticles in hydrogen-sensing devices / I. Weyrauch, E.L. Hefler, R. Breuch et al. // Physica Status Solidi A. – 2025. – Art. № 2400633. – 16 p. DOI: 10.1002/pssa.202400633.
9. Drozdowska, K. Selective light-activation of sensing regions in hybrid Au-graphene-TiO2 chemiresistive gas sensor / K. Drozdowska, J. Smulko // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2025. – V. 437. – Art. № 137764. – 11 p. DOI: 10.1016/j.snb.2025.137764.
10. Singh, J. Facile synthesis, structural and optical properties of Au-TiO2 plasmonic nanohybrids for photocatalytic applications / J. Singh, K. Sahu, B. Satpati et al. // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2019. – V. 135. – Art. № 109100. – 12 p. DOI: 10.1016/j.jpcs.2019.109100.
11. Cheng, Y. Insights into charge transfer and solar light photocatalytic activity induced by the synergistic effect of defect state and plasmon in Au nanoparticle-decorated hierarchical 3D porous ZnO microspheres / Y. Cheng, W. Wang, L. Yao et al. // Applied Surface Science. – 2019. – V. 494. – P. 959-968. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.07.257.
12. Basumatary, B. Evaluation of Ag@TiO2/WO3 heterojunction photocatalyst for enhanced photocatalytic activity towards methylene blue degradation / B. Basumatary, R. Basumatary, A. Ramchiary, D. Konwar // Chemosphere. – 2022. – V. 286. – Part 2. – Art. № 131848. – 9 p. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.131848.
13. Karimi-Maleh, H. Tuning of metal oxides photocatalytic performance using Ag nanoparticles integration / H. Karimi-Maleh, B.G. Kumar, S. Rajendran et al. // Journal of Molecular Liquids. – 2022. – V. 314. – Art. № 113588. – 36 p. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.113588.
14. Alp, E. Plasmon-enhanced photocatalytic and antibacterial activity of gold nanoparticles-decorated hematite nanostructures / E. Alp, R. İmamoğlu, U. Savacı et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – V. 852. – Art. № 157021. – 11 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157021.
15. Celebi, N. Ligand-free fabrication of Au/TiO2 nanostructures for plasmonic hot-electron-driven photocatalysis: Photoelectrochemical water splitting and organic-dye degredation / N. Celebi, M.Y. Aydin, F. Soysal et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – V. 860. – Art. № 157908. – 13 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157908.
16. Singh, J. Structural, optical and plasmonic properties of Ag-TiO2 hybrid plasmonic nanostructures with enhanced photocatalytic activity / J. Singh, B. Satpati, S. Mohapatra // Plasmonics. – 2017. – V. 12. – I. 3. – P. 877-888. DOI: 10.1007/s11468-016-0339-6.
17. Bamola, P. Interfacial interaction of plasmonic nanoparticles (Ag, Au) decorated floweret TiO2 nanorod hybrids for enhanced visible light driven photocatalytic activity / P. Bamola, M. Sharma, C. Dwivedi et al. // Materials Science and Engineering: B. – 2021. – V. 273. – Art. № 115403. – 13 p. DOI: 10.1016/j.mseb.2021.115403.
18. Luyen, N.T. A robust synthesis of reverse Au/ZnO core/shell nanostructures with high visible photocatalytic activity of methylene blue dye / N.T. Luyen, N.X. Quang, V.T. K. Oanh et al. // RCS Advances. – 2025. – V. 15. – I. 32. – P. 25831-25838. DOI: 10.1039/d5ra03007b.
19. Wafi, A. Ultrasonic and vitamin C mediated synthesis of plasmonic Ag-, Cu-, and Ag/Cu-TiO2 for photocatalytic degradation of Rhodamine B / A. Wafi, L. Roza, G.E. Timuda et al. // Surfaces and Interfaces. – 2025. – V. 72. – Art. № 107135. – 14 p. DOI: 10.1016/j.surfin.2025.107135.
20. Божинова, А.С. Изучение фотокаталитических и сенсорных свойств нанокомпозитных слоев ZnO/SiO2 / А.С. Божинова, Н.В. Канева, И.Е. Кононова и др. // Физика и техника полупроводников. ‒ 2013. ‒ Т. 47. ‒ Вып. 12. ‒ С. 1662-1666. DOI: 10.1134/S106378261312004X.
21. Khurgin, J. Hot-electron dynamics in plasmonic nanostructures: fundamentals, applications and overlooked aspects / J. Khurgin, A.Y. Bykov, A.V. Zayats // eLight. – 2024. – V. 4. – Art. № 15. – 22 p. DOI: 10.1186/s43593-024-00070-w.
22. Ávila-Segura, V. Ag nanoparticles in metal oxide highly supportive for photocatalytic and cytotoxic properties: experimental and theoretical analysis / V. Ávila-Segura, E.D. Tecuapa-Flores, C.A. Huerta-Aguilar et al. // International Journal of Environmental Analytical Chemistry. – 2025. – P. 1-30. DOI: 10.1080/03067319.2025.2513654.
23. Paul, K.K. Role of surface plasmons and hot electrons on the multi-step photocatalytic decay by defect enriched Ag@TiO2 nanorods under visible light / K.K. Paul, P.K. Giri // Journal of Physical Chemistry C. – 2017. – V. 121. – I. 36. – P. 20016-20030. DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b05328.
24. Mota, D.R. Influence of Ag size and shape in dye photodegradation using silver nanoparticle/ZnO nanohybrids and polychromatic light / D.R. Mota, W.D. Martini, D.S. Pellosi // Environmental Science and Pollution Research. – 2023. – V. 30. – I. 20. – P. 57667-57682. DOI: 10.1007/s11356-023-26580-7.
25. Shuang, S. Surface plasmon enhanced photocatalysis of Au/Pt-decorated TiO2 nanopillar arrays / S. Shuang, R. Lv, Z. Xie et al. // Scientific Reports. – 2016. – V. 6. – Art. № 26670. – 8 p. DOI: 10.1038/srep26670.
26. Wang, J. Room-temperature gas sensors based on ZnO nanorod/Au hybrids: visible-light-modulated dual selectivity to NO2 and NH3 / J. Wang, S. Fan, Y. Xia et al. // Journal of Hazardous Materials. – 2020. – V. 381. – Art. № 120919. – 9 p. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2019.120919.
27. Schlicke, H. Plasmonic particle integration into near-infrared photodetectors and photoactivated gas sensors: toward sustainable next-generation ubiquitous sensing / H. Schlicke, R. Maletz, C. Dornack, A. Fery // Small. – 2024. – V. 20. – I. 48. – Art. № 2403502. – 13 p. DOI: 10.1002/smll.202403502.
28. Lee, J. Materials engineering for light-activated gas sensors: insights, advances, and future perspectives / J. Lee, M. Kim, S. Park et al. // Advanced Materials. – 2025. – V. 37. – I. 40. – Art. № e08204. – 32 p. DOI: 10.1002/adma.202508204.
29. Moshnikov, V.A. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors / V.A. Moshnikov, I.E. Gracheva, V.V. Kuznezov et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2010. – V. 356. – I. 37-40. – P. 2020-2025. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.06.030.
30. Налимова, С.С. Газочувствительные композитные наноструктуры на основе оксида цинка для детектирования паров органических растворителей / С.С. Налимова, З.В. Шомахов, К.В. Герасимова и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 678-687. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.678.
31. Мошников, В.А. Газочувствительные слои на основе фрактально-перколяционных структур / В.А. Мошников, С.С. Налимова, Б.И. Селезнев // Физика и техника полупроводников. ‒ 2014. ‒ Т. 48. ‒ Вып. 11. ‒ С. 1535-1539. DOI: 10.1134/S1063782614110177.
32. Masuda, Y. Recent advances in SnO2 nanostructure based gas sensors / Y. Masuda // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2022. – V. 364. – Art. № 131876. – 27 p. DOI: 10.1016/j.snb.2022.131876.
33. Sui, N. Selective ppb-level ozone gas sensor based on hierarchical branch-like In2O3 nanostructure / N. Sui, P. Zhang, T. Zhou, T. Zhang // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2021. – V. 336. – Art. № 129612. – 8 p. DOI: 10.1016/j.snb.2021.129612.
34. Рябко, А.А. Сенсибилизация наностержней ZnO коллоидными квантовыми точками AgInS2 для адсорбционных газовых сенсоров с фотоактивацией / А.А. Рябко, С.С. Налимова, Д.С. Мазинг и др. // Журнал технической физики. – 2022. – Т. 92. – Вып. 6. – С. 845-851. DOI: 10.21883/JTF.2022.06.52514.15-22.
35. Буй, К.Д. Покрытия из наностержней гетероструктуры ZnO/Zn2SnO4 для эффективного детектирования ацетона / Буй К.Д., Налимова С.С., Шомахов З.В. и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 794-804. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.794.
36. Nalimova, S. Sacrificial doping as an approach to controlling the energy properties of adsorption sites in gas-sensitive ZnO nanowires / S. Nalimova, Z. Shomakhov, A. Bobkov, V. Moshnikov // Micro. – 2023. – V. 3. – I. 2. – P. 591-601. DOI: 10.3390/micro3020040.
37. Рябко, А.А. Газочувствительность наноструктурированных покрытий на основе наностержней оксида цинка при комбинированной активации / А.А. Рябко, А.А. Бобков, С.С. Налимова и др. // Журнал технической физики. – 2022. – Т. 92. – Вып. 5. – С. 758-764. DOI: 10.21883/JTF.2022.05.52382.314-21.
38. Пешкова, Т.В. Структуры из нанопроводов с переходами Zn-ZnO : CuO для детектирования паров этанола / Т.В. Пешкова, Д.Ц. Димитров, С.С. Налимова и др. // Журнал технической физики. ‒ 2014. ‒ Т. 84. ‒ Вып. 5. ‒ С. 143-148. DOI: 10.1134/S1063784214050259.
39. Bobkov, A.A. Study of gas-sensitive properties of zinc oxide nanorod array at room temperature / A.A. Bobkov, D.S. Mazing, A.A. Ryabko et al. // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics, 22-23 October 2018, St. Petersburg. ‒ New York, IEEE Publ, 2018. ‒ P. 219-221. DOI: 10.1109/EExPolytech.2018.8564407.
40. Raju, P. Review – semiconductor materials and devices for gas sensors / P. Raju, Q. Li // Journal of Electrochemical Society. – 2022. – V. 169. – I. 5. – Art. № 057518. – 37 p. DOI: 10.1149/1945-7111/ac6e0a.
41. Krishna, K.G. Nanostructured metal oxide semiconductor-based gas sensors: a comprehensive review / K.G. Krishna, S. Parne, N. Pothukanuri et al. // Sensors and Actuators A: Physical. – 2022. – V. 341. – Art. № 113578. – 17 p. DOI: 10.1016/j.sna.2022.113578.
42. Wang, J. Light-activated room-temperature gas sensors based on metal oxide nanostructures: a review on recent advances / J. Wang, H. Shen, Y. Xia, S. Komarneni // Ceramics International. – 2021. – V. 47. – I. 6. – P. 7353-7368. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.11.187.
43. Chakrabarty, P. Light trapping-mediated room-temperature gas sensing by ordered ZnO nano structures decorated with plasmonic Au nanoparticles / P. Chakrabarty, M. Banik, N. Gogurla et al. // ACS Omega. – 2019. – V. 4. – I. 7. – P. 12071–12080. DOI: 10.1021/acsomega.9b01116.
44. Cattabiani, N. Tin oxide nanowires decorated with Ag nanoparticles for visible light-enhanced hydrogen sensing at room temperature: bridging conductometric gas sensing and plasmon-driven catalysis / N. Cattabiani, C. Baratto, D. Zappa et al. // Journal of Physical Chemistry C. – 2018. – V. 122. – I. 9. – P. 5026-5031. DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b09807.
45. Zheng, Z.Q. Light-controlled C2H2 gas sensing based on Au–ZnO nanowires with plasmon-enhanced sensitivity at room temperature / Z.Q. Zheng, B. Wang, J.D. Yao, G.W. Yang // Journal of Materials Chemistry C. – 2015. – V. 3. – I. 27. – P. 7067-7074. DOI: 10.1039/C5TC01024A.
46. Iftekhar Uddin, A.S.M. Effects of Ag nanoparticles decorated on ZnO nanorods under visible light illumination on flexible acetylene gas sensing properties / A.S.M. Iftekhar Uddin, G.S. Chung // Journal of Electroceramics. – 2018. – V. 40. – I. 1. – P.42-49. DOI: 10.1007/s10832-017-0096-8.
47. Wang, D. Simultaneous detection and removal of formaldehyde at room temperature: Janus Au@ZnO@ZIF-8 nanoparticles / D. Wang, Z. Li, J. Zhou et al. // Nano-Micro Letters. – 2018. – V. 10. – I. 1. – Art. № 4. – 11 p. DOI: 10.1007/s40820-017-0158-0.
48. Lo, T.-H. The response of UV/blue light and ozone sensing using Ag-TiO2 planar nanocomposite thin film / T.-H. Lo, P.-Y. Shih, C.-H. Wu // Sensors. – 2019. – V. 19. – I. 23. – Art. № 5061. – 10 p. DOI: 10.3390/s19235061.
49. Kim, D.W. Plasmon expedited response time and enhanced response in gold nanoparticles-decorated zinc oxide nanowire-based nitrogen dioxide gas sensor at room temperature / D.W. Kim, K.H. Park, S.-H. Lee // Journal of Colloid and Interface Science. – 2021. – V. 582. – Part B. – P. 658-668. DOI: 10.1016/j.jcis.2020.08.082.
50. Han, C. In2O3/g-C3N4/Au ternary heterojunction-integrated surface plasmonic and charge-separated effects for room-temperature ultrasensitive NO2 detection / C. Han, X. Li, J. Liu et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2022. – V. 371. – Art. № 132448. – 9 p. DOI: 10.1016/j.snb.2022.132448.
51. Sun, X. UV-activated AuAg/ZnO microspheres for high-performance methane sensor at room temperature / X. Sun, Y. Zhang, Y. Wang et al. // Ceramics International. – 2024. – V. 50. – I. 17. – P. 30552-30559. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.05.352.
52. Sun, Z. LSPR effect enabled Ag-TiO2 nanotube arrays for high sensitivity and selectivity detection of acetone under visible light / Z. Sun, J. Cao, S. Wang et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2024. – V. 1003. – Art. № 175533. – 12 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.175533.
53. Zhang, Q. Visible light-assisted room temperature gas sensing with ZnO-Ag heterostructure nanoparticles / Q. Zhang, G. Xie, M. Xu et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2018. – V. 259. – P. 269-281. DOI: 10.1016/j.snb.2017.12.052.
54. Zhang, C. Role of oxygen vacancy in tuning of optical, electrical and NO2 sensing properties of ZnO1-x coatings at room temperature / C. Zhang, X. Geng, J. Li et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2017. – V. 248. – P. 886–893. DOI: 10.1016/j.snb.2017.01.105.
55. Yao, Y. Ag nanoparticle-sensitized WO3 hollow nanosphere for localized surface plasmon enhanced gas sensors / Y. Yao, F. Ji, M. Yin et al. // ACS Applied Materials and Interfaces. – 2016. – V. 8. – I. 28. – P. 18165-18172. DOI: 10.1021/acsami.6b0469.
56. Xu, L. Agx@WO3 core-shell nanostructure for LSP enhanced chemical sensors / L. Xu, M.L. Yin, S. (Frank) Liu // Scientific Reports. – 2014. – V. 4. – Art. № 6745. – 7 p. DOI: 10.1038/srep06745.
57. Khanam, S. A photocatalytic hydrolysis and degradation of toxic dyes by using plasmonic metal–semiconductor heterostructures: a review / S. Khanam, S.K. Rout // Chemistry. – 2022. – V. 4. – I. 2. – P. 454-479. DOI: 10.3390/chemistry4020034.