[发明专利]一种可见光-近红外光响应的金属纳米粒子/二氧化硅复合光催化剂

说明书

本发明公开了一种可见光‑近红外光响应的金属纳米粒子/二氧化硅复合催化剂及其制备方法与应用，其是采用3‑氨丙基三乙氧基硅烷对球形SiO₂进行修饰，然后将其与金属纳米粒子复合，制得所述金属纳米粒子/二氧化硅复合催化剂，其中SiO₂的粒径大小为300‑600 nm。本发明可在不改变金属纳米粒子大小的前提下，通过调整载体的大小对金属纳米粒子的吸光性质进行调控，以实现对宽谱太阳能的吸收，并将光能转化为化学能，从而使所得复合催化剂能应用于可见光‑近红外光下光催化芳香硝基化合物的还原或芳香醇类化合物的氧化，并具有高催化效率。

技术领域

本发明属于光催化剂制备领域，具体涉及一种可见光-近红外光响应的金属纳米粒子/二氧化硅复合催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

半导体光催化技术能直接将太阳能转化为化学能，为解决能源和环境危机提供了一条绿色环保的途径。该技术的核心问题是设计高效的催化剂，以最大限度地吸收太阳光来产生大量的光生载流子，从而驱动氧化还原反应。然而，大多数传统的半导体（二氧化钛、氧化锌、硫化镉）催化剂具有以下弊端：电子空穴对复合率高、量子效率以及太阳能利用率低。上述缺点严重阻碍了这些半导体的光催化性能和潜在应用。

贵金属纳米粒子可以提供催化反应的活性位点，同时，较低的费米使其能级能够快速捕获光生电子、加速电荷的界面转移、延长光生载流子的寿命，因而可作为助催化剂提高光催化太阳能转化效率。此外，一些特殊贵金属，如金、银纳米粒子在可见光区域具有等离子共振吸收，可以有效地拓展光催化剂的光吸收范围。但是已报道的体系存在着载流子浓度低、光响应范围窄的问题，这主要是因为等离子金属其吸收范围主要集中在可见光区域（~550 nm）。

为了提高贵金属纳米结构对光的吸收和利用效率，现阶段的主要手段是改变其大小和形貌。比如，增大纳米粒子的尺寸、制备其他形貌的纳米结构等。这些手段在一定程度上都会减少活性位点的暴露，不利于提高金属原子的利用效率。

本发明通过简单的自组装方法将金属纳米粒子负载到二氧化硅（SiO₂）球形载体上，通过调节载体的大小来实现对金属纳米粒子吸光性质的调控，使其可在不改变金属粒子大小的前提下使可见-近红外吸收得到明显的增强，实现对太阳能的光宽谱吸收。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光-近红外光响应的金属纳米粒子/二氧化硅复合光催化剂及其制备方法与应用，其可实现对宽谱太阳能的吸收与转化，且其光催化活性高、生产工艺简单、可宏观制备、具普适性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属纳米粒子/二氧化硅复合光催化剂，其是采用3-氨丙基三乙氧基硅烷对球形SiO₂进行修饰，然后将其与金属纳米粒子复合，制得所述复合光催化剂；

其中，所述球形SiO₂的粒径大小为300-600 nm；所述金属纳米粒子包括Au NPs、AgNPs、Pt NPs中的任何一种，其在SiO₂上的负载量为0.5wt%-5wt%。

所述金属纳米粒子/二氧化硅复合光催化剂的制备方法包括以下步骤：

（1）SiO₂的制备：将硅酸四乙酯（TEOS）加入到异丙醇中，再加入一定量氨水（NH₃·H₂O），室温下反应4 h后，将产物离心，用乙醇和水洗涤，60 ℃下烘干，得到球形SiO₂；

（2）SiO₂的修饰：将所得球形SiO₂于乙醇中分散，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），60℃反应4 h，离心洗涤后得到表面带正电的SiO₂微球；