[发明专利]桥架层状结构纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域：本发明涉及的是一种纳米复合材料的制备方法，特别是一种桥架层状结构纳米复合材料的制备方法，属于复合材料领域。

背景技术：氢能已普遍被认为是21世纪最理想的无污染的绿色能源。氢大量存在于水中，由于水是非常稳定的化合物，用电解的方法从水中获得氢气需要很大的能量供给，成本极高。但是，采用半导体作光催化剂，当半导体材料受到能量相当和高于其禁带宽度的光辐照时，半导体的电子受激发从价带跃迁到导带，从而在导带和价带分别产生自由电子和空穴，这些自由电子和空穴可以使水发生电离，生成H₂和O₂，因而可以实现太阳能分解水制氢，即太阳能直接转化为化学能。但是至今所发现的半导体氧化物光催化材料存在以下主要的缺陷：一是半导体的光吸收波长范围较窄，主要在紫外区，对太阳光谱的利用率较低，而具有吸收可见光性能的CdO、CdS、ZnS等因光蚀作用不能在水中长期稳定存在；二是半导体载流子的复合率较高，因此量子产率较低。所以从半导体的光催化特性被发现起，人们就开始不断地对半导体光催化剂进行改性研究，以期提高光催化效率。改性方法包括半导体的光敏化、半导体的过渡金属离子掺杂等。其中，将两种半导体复合制成光催化剂，是提高光催化效率的有效途径之一。层状结构材料由于具有较强的吸附特性、离子交换特性、热稳定性及化学稳定性等，是一类重要的催化材料。作为母体，由于其在c轴方向上的间距可以在一定范围内变化，从而为一些半导体材料(客体)的插入提供了可能。客体材料在插入母体的同时，仍然保持母体的层状结构，通过改变母体的层间结构、电荷密度等可以对层状桥架结构进行设计和制备。当把CdO、CdS这样的窄禁带半导体插入层间时形成紧密结合的纳米复合半导体材料，可以扩展对太阳光谱的利用范围，同时有利于光生电子和空穴的分离。目前已经合成的具有半导体支撑的桥架结构复合材料的母体材料主要是钛酸盐和铌酸盐，层间支撑的客体材料主要是SiO₂和Al₂O₃，但SiO₂和Al₂O₃本身不是半导体材料。日本专利号为：“特开平11-139826”，名称为：具有桥架结构的层状化合物的制备方法，该专利介绍了用SiO₂支撑的铌酸盐K[Ca₂Na_n-3Nb_nO_3n+1]桥架结构的层间化合物的制备方法，该方法中插入的客体SiO₂本身不是半导体，不能吸收光能。而本发明是将CdO等具有高吸光功能的半导体氧化物插入钽酸盐化合物层间，形成一种新型光催化材料，从而提高光解水制氢的产率。

发明内容和具体实施方式：本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种桥架层状结构纳米复合材料的制备方法，使其用胺支撑法在钽酸盐层间化合物中进行半导体的层间插入，制备桥架层状结构纳米复合材料，并可进行层状桥架纳米复合材料的层间修饰。本发明方法具体如下：

(1)、以氧化物或盐类为原料，按化学计量比配方，经研磨，在水溶液中充分搅拌混合，蒸发后得到混合均匀的反应物，经烧结若干小时，原料间通过固相反应，生成具有钙钛矿结构和类钙钛矿结构的半导体钽酸盐母体材料，将所制备的钽酸盐母体材料在盐酸、硫酸、硝酸等酸溶液中，层间进行氢离子交换反应；

(2)、经氢离子交换反应后的钽酸盐层状材料实现层间插入反应，得到胺链支撑的桥架层状结构有机-无机纳米复合材料；

(3)、将在钽酸盐层间已插入羟基胺的有机-无机纳米复合材料通过离子交换，以Cd²⁺离子及其它过渡金属氧化物的离子置换层间的有机胺后，用热处理方法获得CdO或其它过渡金属氧化物层间插入的桥架层状结构纳米复合半导体材料。

以下对本发明方法作进一步描述：

(1)、以含有Rb、La和Ta的硝酸盐、碳酸盐或金属氧化物为原料，按化学计量配比配方，通过800-1300℃的高温固相反应合成Rb[LaTa₂O₇]或其他钙钛矿结构和类钙钛矿结构的半导体钽酸盐母体材料。