[发明专利]一种中空结构的Au掺杂二氧化钛复合纳米微球光催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种中空结构的Au掺杂二氧化钛复合纳米微球光催化剂、制备方法及应用。制备过程步骤：(1)表面活性剂和碱催化剂溶解得到反应液a；(2)钛源和含硫硅源加入到乙醇/稀醋酸的混合溶液中得到反应液b；(3)再将反应液a和反应液b混合得到中空结构二氧化钛纳米微球水分散液；加入金酸化合物的水溶液混合反应，经离心、干燥、研磨、煅烧，得到中空结构的Au掺杂二氧化钛复合纳米微球光催化剂。该催化剂单分散性良好、组分简单可调、Au在二氧化钛中空壳层中均匀分布，促进了光生电子和空穴的分离，从而使二氧化钛的吸收光范围扩大，光催化效率高，应用于降解罗丹明具有优异的效果。

技术领域

本发明涉及纳米微球光催化技术领域，具体涉及一种中空结构的Au掺杂二氧化钛复合纳米微球光催化剂、制备方法及应用。

背景技术

光催化技术被认为是迄今为止耗能少、处理方式简单有效地的绿色有机污染物处理技术。目前的光催化技术最常用的光催化剂是基于二氧化钛的纳米材料，这种材料具有廉价易得、无毒无害、降解效果好等优良性能。

二氧化钛(TiO₂)本征材料禁带较宽(3.2eV)，只能吸收波长λ387nm的紫外光，对太阳能利用率不足10％，是一直限制TiO₂光催化活性提升的关键问题之一。突破TiO₂的禁带宽度限制，使其向可见光谱扩展，提高太阳能的利用率，是提升TiO₂材料光催化效果的有效途径。

通过贵金属掺杂可以有效提高TiO₂对太阳能的利用率。贵金属Au颗粒，因具有比TiO₂更低的费米能级，可促进光生电子和空穴的分离，从而提高光催化剂的光量子效率；并且由于其在可见光区强的表面等离子体共振(SPR)效应，可以拓展TiO₂对可见光的吸收，将其掺杂到TiO₂材料上能够扩展其可见光吸收范围，有效的增强其光利用率，提升其光催化性能。

在TiO₂纳米材料中较为优秀的代表就是中空结构TiO₂纳米材料，中空结构可显著增加有机污染物和TiO₂之间的接触面积及物质传输速率，并增强对光的捕获能力，可有效提高光催化反应效率。

目前，Au掺杂中空结构TiO₂纳米微球光催化剂主要由模板法及奥斯瓦尔德熟化法获得，熟化过程需要高温高压耗时耗能；Au颗粒的沉积主要通过表面沉积法，需加入还原剂并容易发生金属氧化现象，降低光催化活性。

如CN107597110A公开了一种模板法制备TiO₂@Au核壳结构的方法，模板法制备PS@Au在PS@Au外包覆一层无定形的二氧化钛得到TiO₂@PS@Au，将TiO₂@PS@Au煅烧得到TiO₂@Au。使用PS为模板，将Au包覆在TiO₂中，在煅烧后可以得到均匀稳定的TiO₂@Au核壳结构，有良好的分散性。这种核壳结构为中空结构，质量轻，在同等质量下可以有较大的表面积，相比于单纯的以二氧化钛为载体，可以避免纳米金在后续反应中脱落，发挥二氧化钛半导体的优势，提高整体催化效率，但Au颗粒团聚在中心，催化效果仍有待提升。

CN105749908A公开了一种Au@TiO₂空心核壳结构光催化剂及其制备方法，以Au纳米粒子为内核，以TiO₂为外壳，且内核与外壳之间具有空腔。其中Au核的尺寸可以通过改变加入的Au纳米粒子种子的尺寸调节，壳层的厚度以及空腔的大小可以通过改变加入的Au纳米粒子和钛源的比例以及钛源的浓度进行调节。该发明制备的空心核壳结构，Au核的大小可控，同时保证一个空腔内只有一个Au核，核壳结构均一，其可见光(λmax420nm)催化效果比二氧化钛P25有显著的提高，但其催化效果仍有待提升。