[发明专利]一种金原子/二氧化钛复合材料、其制备方法及用途

说明书

本发明公开一种金原子/二氧化钛复合材料，其包括：二氧化钛载体和金原子，所述二氧化钛表面具有金属缺陷，所述金原子以单原子形式和原子团簇形式生长于部分所述金属缺陷处；所述金原子质量为所述二氧化钛基体质量的0.01％‑0.1％。本发明还公开了所述金原子/二氧化钛复合材料的制备方法和用途，本发明制备的金原子/二氧化钛复合材料中贵金属金高度分散，因此所需负载量极低，同时金属缺陷与表面金等离子体效应的协同作用极大促进了载流子分离并提高可见光利用率，从而实现高效光催化过程。本发明制备的金原子/二氧化钛复合材料工艺简单，过程无污染，具有优异的稳定性，在光催化、电催化和加氢催化等领域有着良好的应用前景。

技术领域

本发明专利属于催化剂技术领域，具体涉及一种金原子/二氧化钛复合材料、其制备方法及用途。

背景技术

能源和环境问题是当今社会面临的两大挑战，寻找可再生能源对于保障能源安全和可持续发展至关重要，同时，严峻的环境污染急需高效的污染物处理技术。半导体光催化技术利用太阳能驱动化学反应，将能量密度较低的太阳能以化学能的形式加以存储，可以获取清洁能源和治理环境污染，是解决能源和环境问题的理想途径。半导体光催化剂是太阳能转变为化学能的核心，长期以来一直是研究的重点，目前主要研究方向为：提高可见光响应，提高电荷分离效率和表面反应速率等

二氧化钛是最为常见的光催化剂，具有来源广、安全无毒、通用性好等优点。由于其禁带宽度为3.2eV，只能吸收太阳光中占比仅5％的紫外光，导致其太阳能利用率极低；此外，TiO₂在光照过程中产生的电子和空穴在迁移过程中极易复合，从而限制了TiO₂的应用。为了克服这些不足，研究工作人员以TiO₂为基础，对其进行了缺陷位调控和贵金属修饰以提高其光催化性能。

2008陈再华等人以锐钛矿TiO₂和炭素为原料，经过在有氧气氛中于600-1000℃下高温焙烧得到氧缺陷型TiO₂，产物为淡黄色粉末，可见光照射下300分钟内可使亚甲基蓝脱色率达90％(中国专利：CN101422726)。2012年李美成等人以正丙醇，钛酸四丁酯，氢氟酸和氧化石墨烯为原料，经过溶解热法制备了富含三价钛离子的TiO₂光催化剂，电子顺磁共振谱图结果显示该材料中富含Ti³⁺，用于锂离子电池时性能优于商用p-25(中国专利：CN106629837A)。2018年孟祥福等人将钛源与含氟有机化合物混合，然后在熔融盐中高温煅烧，得到了蓝色二氧化钛，其吸光范围可拓展至430nm，光催化降解罗丹明B的效率高于商用二氧化钛p25(中国专利：CN108339542A)。然而上述氧缺陷型光催化剂在光催化过程中表面和体相氧缺陷容易被氧化，导致其稳定性较差，同时尽管此类光催化剂可以提高可见光响应，有研究者指出此类缺陷可能会形成电荷复合中心，降低光催化效率。

胡海华等在氧缺陷型二氧化钛纳米花上负载了金纳米颗粒，所负载金的粒径为2-9nm，并公开了该催化剂在可见光下具有光催化产氢活性(中国专利：CN108579738A)。Yang等通过阳极氧化法制备了纳米多孔TiO₂，经高温硼氢化钠还原后得到氧缺陷型TiO₂，进一步通过磁控溅射法其表面修饰了金纳米颗粒，由于表面金等离子体效应(SPR)的存在，与常规TiO₂相比，得到的TiO₂样品的禁带宽度从3.13eV降低至2.71eV，吸光范围从370nm拓展至450nm(Yang,Y.et al,Journal of Materials Chemistry A,2018,6,12978-12984)。然而由于氧缺陷型TiO₂的电子迁移率有限，导致SPR效应注入电子的寿命较短，电子极易回流至Au与空穴发生复合，因此此类光催化剂光催化性能提高有限，同时由于所沉积的金纳米颗粒粒径较大，导致其负载量增大，成本提高。

以上报道的内容均为以TiO₂为主体的催化剂制备及改性处理，但是存在电荷分离效率低下、可见光利用率差、贵金属负载量高的缺点。