[发明专利]一种Au-TiO2多刺状异质结构复合纳米颗粒光催化剂及其制备方法

说明书

一种Au‑TiO₂多刺状异质结构复合纳米颗粒光催化剂及其制备方法，属于半导体光催化剂技术领域。相对以制备好的Au纳米粒子为种子生长TiO₂或者在TiO₂材料上化学还原沉积Au纳米粒子的方法，本发明有效避免了利用表面活性剂稳定Au纳米粒子及化学还原剂的使用，并使Au与TiO₂紧密接触。有利于提高该Au‑TiO₂多刺状异质结构复合纳米颗粒光催化剂的制备重复性以及作为可见光催化剂时的催化效率和稳定性。实验结果表明，催化剂可见光(λmax>420nm)催化效果和杀菌效果都比商业化的TiO₂(P25)有显著的提高。本发明具备制备方法简单、可重复性好、可放大量生产的优点，在光催化降解环境污染物、杀菌、太阳能电池及太阳能制氢等领域有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体光催化剂技术领域，具体涉及一种Au-TiO₂多刺状异质结构复合纳米颗粒光催化剂及其制备方法。

背景技术

随着工业化进程加快，以此造成的环境污染和资源短缺等问题也日益严重。光催化技术作为一种新型的绿色技术，凭借其直接利用太阳能的优势逐渐引起了国内外科研人员的关注。其中二氧化钛(TiO₂)由于良好的化学稳定性、商业实用性、能够彻底降解有机污染物等特点被认为是最有潜力的光催化剂之一。TiO₂也是一种高效的抗菌剂，当大于禁带能隙的光子照射TiO₂时，会激发其产生空穴电子对，随后生成具有强氧化性的活性氧基团·OH和·O₂^-，活性氧基团通过氧化细菌的辅酶A，破坏细菌的细胞壁(膜)的渗透性和DNA的结构，进而致使细菌死亡。二氧化钛作为光催化抗菌材料，具有广谱抗菌的特点且在抗菌过程中仅作为催化剂，理论上不消耗，具有持久的抗菌性能。但是二氧化钛的禁带隙较宽，只能利用占太阳能4％的紫外光，并且半导体载流子复合率高，光量子效率低，限制了二氧化钛的实际应用。

目前用来提高TiO₂光催化效率的方法有很多，其中贵金属复合的TiO₂基异质结构的方法引发了科研界的关注。构筑异质结是提高电子和空穴分离效率的重要手段之一。在贵金属/半导体异质结构中，由于特殊的能带结构和载流子传输特性，在光催化反应中可以大大抑制空穴电子重组，提高光催化剂的催化活性；且贵金属在可见光区强的表面等离子体共振(SPR)效应可以拓展可见光吸收，实现对太阳光的有效利用。

目前报道的贵金属/TiO₂异质结构多是先制备好贵金属纳米粒子，然后再异相成核制备贵金属复合TiO₂异质材料。这种方法通常贵金属表面有有机稳定分子，另外也不容易控制TiO₂形貌。多刺状TiO₂能有效的减少入射光的反射，提高光的吸收，此外具有大的比表面积，因而利于提高光催化效率。我们之前首次在水溶液体系中以Au纳米棒(AuNR)为种子生长得到Au纳米棒(AuNR)修饰在TiO₂外表面的海胆状异质结构光催化剂(DaltonTrans.,2017,46,3887)。Liqin Xiang等人报道了通过硼氢化钠还原氯金酸的方法在多刺状TiO₂表面制备出粒径均匀的金、银纳米颗粒(Journal of Colloid and InterfaceScience 2013，403，22)。光还原法具有能耗低、产量高简便易行等优点，Xin Jiang等人报道了一种通过光还原的方式在TiO₂纳米球表面沉积金纳米颗粒的方法(Phys.Chem.Chem.Phys.,2017,19,11212)。

目前还没有利用光还原的方法制备贵金属-多刺状TiO₂异质结构的报道，因此本发明低成本且易操作的光还原制备具有高效可见光吸收的多刺状TiO₂-Au异质结构的方法，用作可见光催化具有重要意义。

发明内容