[发明专利]贵金属金修饰的金-二氧化钛核壳结构光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及对一种二氧化钛中空球结构的制备以及改性方法，具体来说就是通过贵金属粒子金的加入制备出单核金修饰二氧化钛的具体方法。

背景技术

目前世界所用的主要能源为化石能源，属于不可再生型能源。其过度使用造成了严重的能源危机，同时也引起了日益严重的环境污染问题。能源短缺与环境污染问题是当今世界所面临的两个巨大挑战，严重制约着人类的可持续发展。太阳能具有取之不尽用之不竭而且无污染等优点，如果能够充分利用太阳能，上面两个挑战便可迎刃而解。因此将太阳能高效地转化为可利用的能源形式具有重要的意义。

近三十年来的研究充分表明，利用光催化剂将太阳能直接转化成化学能是一种切实有效的方法。二氧化钛(TiO₂)是目前研究最广泛的光催化剂，其具有来源广泛、价格低廉、性能稳定、无毒以及光催化性能好等优点，得到了广泛而深入地研究，其效率也得到了大大提升。但是其带隙较宽(3.2eV)，只有在紫外光下才具有响应性能，而太阳光中的紫外光部分只占4％左右。因此，二氧化钛作为光催化剂在实际中的应用受到了大大限制。太阳光中的可见光部分比例高达43％，因此有必要开发具有可见光响应性能的光催化剂。到目前为止，世界各地的科学家陆续开发出多种可见光光催化剂。这些可见光光催化剂必须具有较窄的带隙，以及合适的导带与价带位置来保证其氧化还原性能。而且必须具备较好的稳定性来保证其在实际应用中具有较长的使用寿命。但是目前广泛研究的可见光光催化剂性能不稳定、价格高昂或者具有毒性，因此它们的实际应用价值也受到了大大限制。

1998年日本科学家Kudo所在的研究小组发现(Kudo,A.；Ueda,K.；Kato,H.；Mikami,I.Cata.Lett.1998,53,229)，二氧化钛是一种良好的光催化剂，其带隙为3.2eV，具有较好的氧化还原性能(Tokunaga,S.；Kato,H.；Kudo,A.Chem.Mater.2001,13,4624)。在最近的几十年中，二氧化钛作为光催化剂取得了较大发展，但是不得不面对的是二氧化钛 也并非一种完美的光催化剂，主要的原因之一为其电子传输性能较差，其高的电子与空穴重组速率造成了严重的能量浪费。如何有效分离光生电子与空穴是有效提高二氧化钛光催化性能的有效途径之一。目前采用最广泛的方法是两种或多种半导体复合来促进电子与空穴的分离效率，具有合适价带与导带位置的半导体相互复合后，被激发得到的自由电子和空穴会朝两个相反的方向移动，这样便可以有效分离电子与空穴对，提高它们的利用率(Hong,S.J.；Lee,S.；Jang,J.S.；Lee,J.S.Energy Environ.Sci.2011,4,1781)。贵金属修饰二氧化钛是一种最近几年新开发出的可见光催化剂(Ma,X.；Lu,B.；Li,D.；Shi,R.；Pan,C.；Zhu,Y.J.Phys.Chem.C 2011,115,4680；Ma,Z.；Yi,Z.；Sun,J.；Wu,K.J.Phys.Chem.C 2012,116,25074)。对于未改性的二氧化钛颗粒来说，由于其电子传输性能较差的特点，光激发生成的电子与空穴在其体相传输速率较慢，造成了严重电子与空穴复合现象，大大降低了其量子产率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对目前商用的P25比表面积小(50-70m²/g)，对自然光的吸收效率低，可见光下光催化活性低等特点，提供一种贵金属金修饰的金-二氧化钛核壳结构光催化剂及其制备方法，并且这种方法具有简单易行、价格廉价和重复性好等特点。通过控制合成条件，将贵金属金纳米颗粒作为单核分布到二氧化钛中空球内部，由于表面等离子体共振效应，光激发生成的电子与空穴会朝两个相反的方向移动，这样可以有效减少电子与空穴的重组速率，因而有利于提高其光催化性能，在降解有机污染物等方面显示出商用催化剂所不具有的优良性能。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

贵金属金修饰的金-二氧化钛核壳结构光催化剂及其制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，称取等体积的柠檬酸钠水溶液和四氯金酸水溶液进行混合均匀，并加热至90—95℃，向混合均匀溶液中加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)并分散均匀，以形成金胶体溶液，其中十六烷基三甲基溴化铵和柠檬酸钠水溶液的质量体积比为1：1(即十六烷基三甲基溴化铵的质量和柠檬酸钠水溶液的体积之比)；

在所述步骤1中，选择搅拌或者超声实现混合均匀，时间为30—60min，优选35—45min。