[发明专利]一种小尺寸高比表面积的纳米异质结构空心球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种小尺寸高比表面积的纳米异质结构空心球及其制备方法。本发明的空心球其球壳为两种以上金属氧化物构成，不同金属氧化物晶粒在球壳表面形成异质结，球壳厚度在20纳米以下，单个异质结尺寸为2～20纳米，空心球直径为80～800纳米。本发明利用模板吸附方法，通过配置多金属离子溶液和后续的退火处理制备得到纳米异质结构空心球。本发明的空心球比表面积一般大于200 m².g^‑1，且其异质结尺寸在10纳米左右，异质结界面结晶质量高，消除了在界面产生的表面态和电子陷阱等缺陷；本发明的方法简单、成本较低，对半导体材料种类的选择和半导体数量的选择都具有极大的范围，有利于产业化的应用。

技术领域

本发明涉及一种纳米异质结构空心球及其制备方法，尤其涉及一种小尺寸高比表面积的纳米异质结构空心球及其制备方法。

背景技术

伴随着世界文明的发展,人类需要消耗的能源越来越多,而与之相应的,排放的环境污染物也越来越多。由于地球的资源是有限的,因而能源与环境问题己成为当代发展必须面对的巨大挑战。近年来,面对传统能源日益供需失衡、全球气候日益变暖的严峻局势,世界各国纷纷加大对能源新技术和环保技术的开发与利用的力度。太阳能资源潜力大,环境污染低,可持续利用,是有利于人与自然和谐发展的重要能源。而半导体光催化技术因其可直接利用太阳能来驱动反应,在能源和环境领域有着重要应用前景。在半导体材料光催化体系内，实现光生电子-空穴的有效分离是将光催化应用于能源和环境问题的必经途径。常见的单一化合物光催化剂为金属氧化物或硫化物半导体材料。如TiO₂、WO₃等，（Nowotny,J., Energy & Environmental Science 2008, 1 (5), 565-572. Xi, G.; Ouyang, S.;Li, P.; Ye, J.; Ma, Q.; Su, N.; Bai, H.; Wang, C., Angewandte ChemieInternational Edition 2012, 51 (10), 2395-2399.）它们都已经在光催化领域有很广泛的应用。不过他们也有本征的不完美之处，单一半导体材料因为内部缺陷和本征复合的缘故，使得光生电子空穴在产生后，有接近90%的光生电子空穴直接在半导体内部和表面配对复合，而不是与水和污染物作用。这样就导致了绝大多数的光生电子空穴的浪费，大大限制了对太阳能的利用。因此，促使光生电子与空穴的分离，抑制其复合，从而提高量子效率，以便充分利用太阳能，提高光催化剂的稳定性是现代光催化领域的核心问题。目前，有数种常用的半导体光催化剂的改性技术，主要包括过渡金属离子掺杂（Liu, B.; Liu, L.-M.;Lang, X.-F.; Wang, H.-Y.; Lou, X. W.; Aydil, E. S., Energy & EnvironmentalScience 2014.），贵金属沉积（Xi, G.; Ye, J.; Ma, Q.; Su, N.; Bai, H.; Wang, C.,Journal of the American Chemical Society 2012, 134 (15), 6508-6511），半导体光催化剂的复合（Tong, H.; Ouyang, S.; Bi, Y.; Umezawa, N.; Oshikiri, M.; Ye, J.,Advanced Materials 2012, 24 (2), 229-251.）等。在这之中前两种由于使用很多稀有金属元素，所以受到了成本和资源储量的限制。由于普通半导体催化剂成本很低且资源丰富，所以复合光催化材料因这些优势引起了广泛的关注，特别是异质结材料，异质结通常由两种不同的半导体材料通过异质外延生长复合而成，因其内部产生可以促使电子空穴分离的内建电场，所以在促进光生电子空穴分离上具有独特的理化特性。由于纳米尺寸效应使得电子空穴的扩散距离大大减小，所以纳米尺度的半导体异质结比相应的块材半导体异质结具有更加明显的光电性能优势。制备和研究纳米半导体异质结材料，探索其应用，是近年来国际纳米材料的前沿研究领域之一，具有很大的挑战性和重要的科学意义。