[发明专利]一种二维MXene纳米片修饰多孔Au@Ag@Pd核壳结构光催化剂的制备及其应用

说明书

本发明涉及一种二维MXene纳米片修饰多孔Au@Ag@Pd核壳结构光催化剂的制备方法。具体过程如下：首先，通过柠檬酸钠还原法制备15nm Au粒子，之后采用种子介导法合成Au@Ag核壳结构，随后加入氯钯酸与Au@Ag混合，利用钯离子和外层Ag之间的置换反应腐蚀溶解部分Ag形成多孔结构的同时，将金属钯沉积于多孔Au@Ag表面，一步得到多孔Au@Ag@Pd核壳结构；其次，对Ti₃AlC₂原料进行开层和插层处理得到单层或少层二维Ti₃C₂纳米片，以二维Ti₃C₂纳米片为载体，对其表面进行电荷改性，得到呈正电性的Ti₃C₂纳米片；最后，采用静电自组装方法将多孔Au@Ag@Pd核壳结构组装于Ti₂C₃MXene表面，得到二维MXene纳米片修饰多孔Au@Ag@Pd核壳结构光催化剂。该方法操作过程简单，金核大小，Ag壳层厚度及孔尺寸容易调控，可有效提升热载流子的产生和分离效率，大大提高催化活性，同时产物易分离，性质稳定，适应性广泛，具有广阔的应用前景。

技术领域

本方法发明属于光催化纳米材料领域，具体涉及一种二维MXene纳米片修饰多孔Au@Ag@Pd核壳结构光催化剂的制备及其应用。

背景技术

以太阳能为直接驱动力的光催化技术具有绿色环保、能耗低、反应条件温和等优点，近年来在驱动有机合成体系中受到高度关注，是一种理想的可持续发展化工生产方式。太阳能驱动催化反应的前提是开发具有优异光收集效率和催化活性的光催化剂。随着多学科的交叉共融，具有表面等离子体共振效应(SPR)的金属纳米粒子作为一种新型光催化剂被引入光催化体系中，并逐渐拓展出Plasmonic金属光驱动的有机合成体系。SPR效应源于光照诱导Plasmonic金属表面自由电子的集体振荡，当入射光频率与自由电子集体振荡频率相当时则产生共振效应，同时在金属表面诱发强的局域电场。当Plasmonic金属受到光照时，SPR通过朗道驰豫把较低能级的电子泵浦到较高能级产生热电子，同时在纳米结构内部留下带正电荷的热空穴。这些热电子可注入到特定反应底物轨道从而改变催化反应的途径进而调控特定产物的选择性。但目前单一Plasmonic金属纳米材料较低的热电子-空穴产生和分离效率是制约其发展和应用的主要瓶颈。因此，基于提高热电子-空穴产生和分离效率的Plasmonic金属光催化材料的设计和合成是实现光驱动有机合成体系的核心科学问题。

提高Plasmonic金属热电子-空穴产生效率的根本途径在于提高其SPR效应光学吸收和局域电场强度。作为典型的Plasmonic金属，Au、Ag以其强的光吸收特性在太阳能向化学能的转化中大放异彩。然而，对于单一Au或Ag而言，明显存在组成单一、光学吸收范围有限、局域电场强度难以大幅提高等诸多问题。与之相比，双组份Plasmonic Au@Ag纳米结构的构建，将有助于克服单一Au或Ag的诸多缺点，通过Au、Ag两组分SPR效应的耦合共振大幅提升吸光率和局域电场强度，进而提高热电子-空穴产生效率。除组分调控外，多孔Plasmonic金属纳米结构以其独特的光学优势和局域电场强度引起了人们的关注。相较于实心的Plasmonic金属，多孔Plasmonic金属中丰富孔结构的存在可致使其发生SPR偶极共振效应进而将光学吸收拓展到红外区域，且催化剂中的纳米孔类似共振器可聚焦入射电磁场，使其局域电场强度急剧增加，进而显著提高热电子-空穴产生效率。因此，从组分及微结构构建一体化设计入手，设计制备多孔Plasmonic Au@Ag核壳纳米结构是提升其热电子-空穴产生效率的有效策略，但目前相关的研究较少。另一方面，催化材料仍存在热电子-空穴复合率高的问题，因此在此基础上如何进一步实现热电子-空穴的有效分离和快速迁移是推动Plasmonic金属在光驱动有机合成体系中发挥其优越性的另一关键问题。