[发明专利]一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的制备方法，本发明制备的金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料由二氧化钛纳米花和金纳米颗粒复合而成，其中二氧化钛纳米花提供大比表面积且富含大量氧空位。金纳米颗粒均匀沉积在二氧化钛表面，两者之间形成紧密的接触界面。本发明的金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料是一种高效，稳定的光电转化材料，采用一步简单还原法制备，制备过程简单，反应条件容易控制，适用于大规模制备和工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种在二氧化钛纳米花表面沉积金纳米颗粒制备金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的方法与应用，属于纳米材料和光催化技术领域。

背景技术

21世纪人类走可持续发展道路的过程中将面临的两大挑战就是能源问题和环境问题。太阳能具有清洁、廉价、可再生等优点，如何高效利用太阳能将是解决能源问题的主要手段之一。光催化产氢技术正是以太阳能的化学转化与储存为核心，通过太阳能激发半导体实现高效率光分解水制备氢气。半导体光催化剂如二氧化钛、氧化锌等引起了人们的极大重视，但是在实际应用中这些光催化剂大多数为宽带隙半导体，光的吸收波长范围狭窄，限制在紫外区，仅占太阳光谱的4％，对太阳光谱的利用效率低下，量子效率低下。因此，开发新型高效的可见光催化剂已经逐渐成为催化剂研究中最热门的研究方向之一。

二氧化钛作为传统的光催化剂，由于其化学稳定性高、耐光腐蚀、氧化能力强、光催化反应驱动力大和光催化活性高等优点，导致二氧化钛被广泛应用在光催化领域，但二氧化钛禁带宽度3.2eV，光吸收仅限于紫外光区，这部分光仅占太阳光谱的4％，且其量子效率低，在很大程度上限制了二氧化钛光催化材料的大规模工业化应用。值得注意的是，控制二氧化钛缺陷态的浓度，也可以有效地拓宽其光吸收范围。比如在二氧化钛中引入氧空位缺陷态的方式，可以将二氧化钛的光吸收范围拓宽到可见光区。然而必须指出的是，大量氧空位的存在会抑制其光生电子与空穴的分离，导致光催化活性降低。这是由于光生电子会束缚在氧空位上，进而导致光生电子的迁移能力较弱。

在二氧化钛表面负载少量小尺寸金纳米粒子作为共催化剂可以提高载流子分离效率，来获得高活性光催化性能，并且沉积的金纳米颗粒与载体二氧化钛纳米花形成紧密界面，提高光生载流子的分离，促进光催化产氢的效率，并且由于金纳米粒子等离子共振效应存在可以极大拓宽二氧化钛在可见光区的吸收范围。在富氧空位缺陷态二氧化钛表面沉积金纳米颗粒，二氧化钛氧空位的存在可以提高其光吸收性能，同时又注意到大量的氧空位作为电子空穴的复合中心，会抑制其光生电子空穴的分离。所以，通过在二氧化钛表面沉积贵金属促进其光生载流子的分离。同时金纳米颗粒也可以有效拓宽二氧化钛的光吸收范围。此外，由于二氧化钛表面氧空位缺陷态的存在，可以增强贵金属纳米粒子与二氧化钛之间的界面作用，降低载流子在两者界面的损耗，促使其光生载流子高效分离。该法具有操作简单、无毒、高效以及可以大面积生产等优势，因此，其具有产业化的可行性。

发明内容

本发明目的是针对上述问题，提供一种利用二氧化钛氧空位具备还原性一步沉积金纳米颗粒制备新型复合材料的制备方法，解决了现有技术中二氧化钛光生载流子内部复合严重以及光吸收范围窄等问题。

本发明采用以下技术方案：一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：先将异丙醇加入到二乙烯三胺中，搅拌均匀，再加入二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯，异丙醇、二乙烯三胺和二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的体积比为1260～2520:1～10:45～360，搅拌均匀，倒入反应釜中，200～220℃条件下，溶剂热处理24～36小时，洗涤，干燥，将得到纳米材料以1～10℃/min升温到退火温度，退火温度为425℃，退火时间为2小时，得到前驱体富氧空位二氧化钛纳米花材料。