[发明专利]一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，属于光催化材料技术领域,能够用于光催化转化。所述制备方法，包括：将两性离子短肽分散在水中，超声分散，调节溶液pH值，置于室温放置一周以上，得到短肽自组装体溶液；将含Fesupgt;3+/supgt;化合物、结构导向剂、二氧化钛前驱体依次加入到所述两性离子短肽自组装溶液中，涡旋混匀，在室温反应，将离心所得沉淀煅烧，得到铁离子掺杂二氧化钛纳米材料，在不依赖于外加电子媒介物的条件下能够实现光能向化学能的转化，并以还原能的形式贮存于NADH中。

技术领域

本发明涉及纳米新材料技术领域，尤其涉及二氧化钛纳米材料的制备和应用技术领域。

背景技术

随着世界人口的增长以及现代工业的快速发展，石油、煤、天然气被大量消耗，传统的化石能源面临枯竭，同时也带来日益严重的环境问题。清洁的、可持续的能源技术越来越受到人们的关注。在光、水、风、地热、生物质等所有可再生能源中，由于太阳能巨大的储量以及受地域限制较小，发展太阳能向化学能或电能的高效转化技术具有极为诱人的前景。而这些应用中的光转化效率与电荷或离子在材料表面或内部的传输密切相关，因此，可用作电子受体和能够提供电子转移的介观尺度有序半导体材料对于发展这种光能利用技术至关重要。

二氧化钛具有无毒无害、高活性、廉价、耐紫外光腐蚀、耐强氧化剂以及耐酸碱等特点，是一类极具吸引力的多功能半导体材料。由于二氧化钛材料所具有的光致特性、光催化性和光亲水性，使得它在光子器件、太阳能电池和光催化等领域具有巨大的应用前景。但二氧化钛的固有禁带宽度过宽(锐钛矿相禁带宽度为3.0eV，金红石相禁带宽度为3.2eV)，使其只能被波长小于387nm的紫外光(在太阳光中占比小于5％)所激发(参见Mao Y.等，《德国应用化学》，2014,53:10485)。过低的光利用率严重地限制了二氧化钛的应用。因此，想要拓展二氧化钛的应用领域，关键是扩大二氧化钛的禁带宽度。

目前扩大二氧化钛的禁带宽度的方法主要有离子掺杂、表面贵金属沉积、与其它半导体复合和染料敏化等技术。其中，离子掺杂通过杂原子的引入在价带和导带之间形成中间能带，能够对能量更低的光子(可见光)产生响应，使得材料的光响应范围向长波方向移动，从而提高光利用效率(参见Shao,G.等，《物理化学C》,2009,113:6800)。但就目前的制备技术而言，要在分子水平实现特定位点离子掺杂仍然是一个挑战，因此如何实现特定位点离子掺杂以及进一步提升掺杂二氧化钛材料的性能，具有重要的现实意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，在两性离子短肽自组装体特殊的分子识别和催化矿化作用下，能够实现特定位点掺杂，从而提高二氧化钛在可见光区的响应性以及光催化活性。

一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将两性离子短肽溶于水中，振荡使其溶解，调节pH，室温下静置使其自组装，得到两性离子短肽自组装溶液；

2)将含有Fe³⁺的化合物、结构导向剂加入到两性离子短肽自组装溶液中，振荡混匀，然后加入二氧化钛前驱体，振荡混匀，室温静置一定时间，使其反应；

3)将上述反应产物离心，将离心所得固体在马弗炉中煅烧，得到铁离子掺杂二氧化钛纳米材料；

其中，所述两性离子短肽由5-8个氨基酸残基组成，一端含有阴离子氨基酸残基，例如天冬氨酸、谷氨酸，另一端含有阳离子氨基酸残基，例如赖氨酸、精氨酸、组氨酸，中间由疏水氨基酸残基连接，例如甘氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等，两性离子短肽在水溶液中形成规整的自组装结构，且可以通过pH值的变化调节两性离子短肽的组装体形态及组装体表面带电性质，进而可以通过同一短肽组装体模板实现金属离子沉积和二氧化钛催化矿化的双重功能。

优选的，两性离子短肽溶液中肽的摩尔浓度为1-8mM，溶液pH值为7-10。