[发明专利]一种光催化剂上负载金属团簇的方法

说明书

本发明涉及光催化领域，提供了一种光催化剂上负载金属团簇的方法。该方法不需要任何添加剂，采用金属颗粒和光催化剂颗粒为前驱体，二者混合后水热条件下就可以获得负载金属团簇的复合光催化剂。本发明利用光催化剂热致空穴的氧化性将较大粒径的金属颗粒氧化刻蚀后金属原子进入溶液，在水热条件的还原作用下金属离子在颗粒上异相成核生长形成金属团簇。相比于现有技术，本发明提出的负载过程极其简单，负载的金属团簇尺寸小于2nm，在光催化剂颗粒上分布均匀，极大地提高了光催化剂的催化活性。

技术领域

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种光催化剂上负载金属团簇的方法。

背景技术

基于光催化剂和太阳能的光催化技术凭借其清洁、可循环利用等特点，被认为是解决全球能源危机和环境污染等问题的一条有效途径。然而，光催化技术存在两个瓶颈问题，一是大部分光催化剂对太阳光中占主要成分的可见光响应程度低，无法有效利用太阳光；二是光催化剂受光激发后产生的光生载流子极易复合，无法被有效利用，从而导致光催化效率处于较低水平。在过去近二十年的研究中，发展了各种方法来解决这两个问题。其中将金属颗粒负载在催化剂上作为助催化剂被认为是最有效提高光催化剂性能的途径。金属纳米颗粒，特别是Pt、Au和Ag，在光照条件下，易产生等离激元共振效应，可以提高催化剂对可见光的吸收。同时金属颗粒能够在催化剂表面形成电子捕获阱，捕获以及存储催化剂表面的光生电子，从而促进光生载流子的产生以及分离，提高光催化效率。金属特别是Ru、Rh、Pt、Pd、Au、Ag等贵金属对光催化效果的提高非常显著，但贵金属成本高且储量少。通常，通过降低颗粒尺寸的方法，使表面原子数及所占的比例增大，使其具有较高的活性，提高催化剂利用率。因此可以通过降低贵金属助催化剂在催化剂颗粒上的尺寸和分布状态实现在较低贵金属负载量的同时有效提高光催化性能。

负载金属颗粒助催化剂的方法可以分为物理法和化学法。物理方法包括真空沉积和溅射法等，这些方法对条件和设备的要求比较高，条件控制也比较苛刻。化学法分为电还原、光还原及化学还原，金属前驱体通常为金属盐溶液。例如，Ding等利用光同时还原Cu(NO₃)₂和HAuCl₄两种前驱体的方法将AuCu合金颗粒负载到CaIn₂S₄上，在反应体系中还需要添加Na₂SO₃和Na₂S·9H₂O作为牺牲剂，防止CaIn₂S₄在光还原过程中发生光腐蚀。而最终负载到催化剂上的AuCu合金的尺寸约为20nm，且分布不均匀(Applied Catalysis B:Environmental,2018,224,322-329)。化学还原法一般会使用各种有机溶剂或稳定试剂，后续需要反复的洗涤和纯化，步骤繁琐。专利申请202110154330.6公开了一种贵金属负载改性的二维WO₃纳米片光催化剂的制备方法。通过向WO₃纳米片中加入贵金属前驱体溶液，然后采用浸渍煅烧法获得WO₃/贵金属复合材料。采用这种浸渍煅烧的方法很难精确控制贵金属负载量，且煅烧过程中，晶粒极易发生团聚，颗粒尺寸大且均匀性较差，无法实现用最少量的贵金属最大化提高催化活性的目的。

一般利用化学还原法负载贵金属颗粒在光催化剂颗粒上，这类还原过程中在还原金属盐前驱体的同时还要保护光催化剂不会遭到破坏，因此过程中需要使用各种保护剂，反应完成后还原剂和保护剂的完全去除比较困难。

发明内容

本发明中的数值范围均包括端点值，如80-250℃，包括80和250两个端点值。

为克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种负载过程简单、反应条件温和、金属团簇分布均匀、环保的在光催化剂上负载金属团簇的方法。

所述方法包括以下步骤：以纳米金属颗粒和光催化剂颗粒为前驱体，二者混合后搅拌条件下水热反应。

进一步地，所述方法还包括：水热反应后，冷却、分离以去除滤液得到负载金属团簇的光催化剂。