一种蘑菇状结构的金纳米棒-纳米氧化钛光催化材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种光催化材料及其制备方法和应用，该光催化材料由纳米氧化钛和金纳米棒组成，所述金纳米棒一端被纳米氧化钛包裹，未被纳米氧化钛包裹的部分完全暴露，使所述光催化材料呈蘑菇状结构。本发明专利技术提供的光催化材料中，金纳米棒与纳米氧化钛复合，增强了对可见光的吸收效率，提高了氧化钛的光催化性能；同时蘑菇状的结构增大了金纳米棒和反应物的接触面，进一步提高了催化效率。本发明专利技术提供的光催化材料的制备方法简单，反应条件温和，环境友好，有望广泛地应用到光催化、太阳能电池、光电转换等领域；将其应用在光催化水分解制备氢气中时具有较高的催化效率，具有广阔的应用前景。

A mushroom shaped structure of gold nanorods Nano Titania Photocatalytic Materials and preparation method and application thereof

The invention relates to a photocatalytic material and its preparation method and the application of the photocatalytic materials by nano titanium oxide and gold nanorods, one end of the gold nanorods by nano TiO 2 package, has not been completely exposed TiO2 wrapped, the photocatalytic material is a mushroom like structure. The photocatalytic material provided by the invention, gold nanorods and nano titania composite, enhances the visible light absorption efficiency, improve the photocatalytic properties of titanium oxide; at the same time, mushroom like structure increases the contact surface of gold nanorods and reactants, to further improve the catalytic efficiency. The preparation methods of photocatalytic material provided by the invention is simple, mild reaction conditions, environment friendly, is expected to be widely applied in photocatalysis, solar battery, photoelectric conversion and other fields; the catalytic efficiency of its application in photocatalytic water decomposition for hydrogen production is high, and has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种蘑菇状结构的金纳米棒-纳米氧化钛光催化材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及催化材料制备
，具体涉及一种光催化材料，尤其涉及一种蘑菇状结构的金纳米棒-纳米氧化钛光催化材料及其制备方法和应用。
技术介绍
氧化钛(TiO2)作为一种n型光催化半导体，具有价廉、稳定、无毒和环境友好等优点，已被广泛的应用于环境净化、自清洁、产氢、光化学合成、CO2还原、有机合成和太阳能电池等多方面研究。TiO2作为一个宽带隙半导体(Eg＝3.2eV)，只在紫外光下(≈5％)有响应，限制了其光催化应用。例如1979年Fujishima等发现TiO2在紫外光照的条件下可用于光解水制氢，从而开创了利用半导体进行光解水的新领域。但是，由于TiO2的禁带宽度较大，它只在紫外区有活性，而紫外光只占太阳光总能量的4％，这就极大地限制了TiO2在光催化领域的应用。因此，对TiO2进行改性和修饰，将其响应范围扩展到占太阳能总能量较多的可见光区，就成为十分有意义的工作。B.O'Regan等人发现通过染料敏化的方法可以将TiO2的吸收区域扩展至可见光区，并具有良好的可见光活性(B.O'Regan,M.Gratzel,Nature1991,353,737)。S.C.Hayden等人将CdS量子点负载在TiO2纳米管上，也取得了良好的可见光响应(S.C.Hayden,N.K.Allam,M.A.El-Sayed,J.Am.Chem.Soc.2010,132,14406)。在光催化领域中，金纳米棒(AuNRs)是一种常用的材料，由于AuNRs的表面等离子共振效应，其在可见光区具有两个共振吸收峰，AuNRs与TiO2复合，将弥补TiO2在光吸收上的不足。同时AuNRs还具有电子存储功能，当TiO2在紫外光的照射下，AuNRs可以有效的帮助TiO2导出电子，减少光生电荷的复合；在可见光的照射下，AuNRs的局域等离子体共振效应(LSPR)可促使其激发产生热电子，跨越与TiO2形成的肖特基势垒，注入到TiO2上，实现光生电荷的分离；并且，AuNRs的LSPR效应还能够增强入射光局部电场的功能，这些性质均有助于TiO2光催化性能的提高。CN106141170A中公开了一种金纳米棒/二氧化钛核壳纳米结构及其一步法合成方法，所述纳米TiO2完全包裹AuNRs，因此不利于AuNRs对光的吸收，也阻碍了AuNRs与周围介质了反应，限制了催化效率的提高。CN105688900A中公开了一种光催化材料及其制备方法和应用，提供了一种纳米氧化钛包裹在金纳米棒两端，具有呈哑铃状结构的光催化材料。该光催化材料虽然具有较高的催化性能，但是金纳米棒与反应物的接触面仍然不足，影响了其催化效率。CN106345999A中同样公开了一种金棒两端包覆二氧化钛纳米复合材料，其金棒的暴露面过小，难以实现与反应物进一步有效的接触，限制了其催化作用。因此，需要开发一种可以同时结合纳米TiO2与AuNRs优势，且AuNRs与反应物接触面充足，具有更强催化性能的新型光催化材料。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种蘑菇状结构的金纳米棒-纳米氧化钛光催化材料及其制备方法和应用，得到一种纳米氧化钛仅包裹在金纳米棒一端的具有蘑菇状结构的金纳米棒-纳米二氧化钛光催化材料，该催化材料实现了金纳米棒和纳米氧化钛的复合，提高了光催化性能，且增大了金纳米棒与反应物的接触面，进一步提高了催化效率。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种光催化材料，所述光催化材料由纳米氧化钛和金纳米棒组成，所述金纳米棒一端被纳米氧化钛包裹，未被纳米氧化钛包裹的部分完全暴露，使所述光催化材料呈蘑菇状结构。本专利技术提供的光催化材料呈蘑菇状结构，金纳米棒(AuNRs)与纳米氧化钛(TiO2)复合，增强了对可见光的吸收效率。在实际催化应用中，金纳米棒直接与环境中的反应分子接触，其与反应物的接触面积越大，相应的催化效率越高。本专利技术提供的具有蘑菇状结构光催化材料中，金纳米棒仅一端被包裹，其他部分完全暴露，进而在催化反应过程中与反应物具有更充足的接触面，有利于进一步提高催化效率。此外，在紫外或可见光照射下，此结构可实现光生电荷的独立分区分布，在应用过程中，光生电荷独立分区分布减少了光生电荷的复合，有利于光生电荷的分离，进而有利于氧化还原反应同时进行。第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的光催化材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)制备金纳米棒在十六烷基三甲基溴化铵溶液中的分散液，调节分散液中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为1-8mM；(2)将钛源分散在水中，调节pH，得到水解液；(3)将步骤(1)得到的分散液加入步骤(2)得到的水解液中进行反应，反应完成后固液分离，得到光催化材料。本专利技术采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为AuNRs的稳定剂，当AuNRs表面吸附CTAB分子的浓度适宜时，会导致AuNRs颈部(111)晶面与棒身晶面上形成差异明显的表面张力；在pH为2-3.5的条件下，纳米TiO2会优先沉积在表面张力较大的(111)晶面上，释放表面张力，一旦AuNRs某个(111)晶面上先沉积上了TiO2，这个晶面就成了TiO2沉积的活性位，促进TiO2进一步沉积和生长，进而得到所述呈蘑菇状结构的光催化材料。本专利技术首先将AuNRs分散在CTAB溶液中，调节CTAB的浓度，利用CTAB引起AuNRs表面张力的差异；然后水解TiCl3制备纳米TiO2，在合适的pH下，使纳米TiO2优先在AuNRs表面张力较大的晶面上沉积、生长，得到了呈蘑菇状结构的金纳米棒-纳米氧化钛光催化材料。根据本专利技术，步骤(1)中所述分散液中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为1-8mM，例如可以是1mM、2mM、3mM、4mM、5mM、6mM、7mM或8mM，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。本专利技术中，步骤(1)所述分散液中十六烷基三甲基溴化铵的浓度优选为2-8mM，进一步优选为4-6mM。本专利技术对于步骤(1)中所述调节分散液中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为1-8mM这一过程并不做特殊限定，可以直接进行配制，也可以采用其他方式，只要能使分散液中十六烷基三甲基溴化铵的浓度达到1-8mM即可。示例性的，步骤(1)所述的操作可以如下所示，但非仅限于此：将金纳米棒分散在十六烷基三甲基溴化铵溶液中，离心去掉上清液，向沉淀中添加水或十六烷基三甲基溴化铵溶液，调节十六烷基三甲基溴化铵的浓度为1-8mM。根据本专利技术，步骤(2)所述钛源为三氯化钛/或四氯化钛。根据本专利技术，步骤(2)中调节pH至2-3，例如可以调节pH至2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。本专利技术步骤(2)中优选调节pH至2.5。根据本专利技术，步骤(2)中加入碱性溶液调节pH。根据本专利技术，所述碱性溶液的浓度为0.5M-1M，例如可以是0.5M、0.6M、0.7M、0.8M、0.9M或1M，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光催化材料，其特征在于，所述光催化材料由纳米氧化钛和金纳米棒组成，所述金纳米棒一端被纳米氧化钛包裹，未被纳米氧化钛包裹的部分完全暴露，使所述光催化材料呈蘑菇状结构。

【技术特征摘要】
1.一种光催化材料，其特征在于，所述光催化材料由纳米氧化钛和金纳米棒组成，所述金纳米棒一端被纳米氧化钛包裹，未被纳米氧化钛包裹的部分完全暴露，使所述光催化材料呈蘑菇状结构。2.如权利要求1所述的光催化材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)制备金纳米棒在十六烷基三甲基溴化铵溶液中的分散液，调节分散液中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为1-8mM；(2)将钛源分散在水中，调节pH，得到水解液；(3)将步骤(1)得到的分散液加入步骤(2)得到的水解液中进行反应，反应完成后固液分离，得到光催化材料。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述分散液中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为2-8mM，优选为4-6mM。4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的操作具体为：将金纳米棒分散在十六烷基三甲基溴化铵溶液中，离心去掉上清液，向沉淀中添加水或十六烷基三甲基溴化铵溶液，调节十六烷基三甲基溴化铵的浓度为1-8mM。5.如权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述钛源为三氯化钛或四氯化钛。6.如权利要求2-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中调节pH至2-3，优选调节pH至2.5。7.如权利要求2-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中加入碱性溶液调节pH；优选地，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴玲钰，司月雷，吴志娇，曹爽，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11