一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂及其制备方法，获得了一种金属单原子负载的高分散性、大比表面积TiO2量子点光催化剂。本发明专利技术制备方法简单、成本低，得到的TiO2量子点分散性好、比表面积大、尺寸小(2

【技术实现步骤摘要】
一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于化工
，进一步属于光催化
，具体涉及一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]长期以来，能源和环境一直是困扰人类的两大世界级问题。太阳能驱动的水分解产生氢气是将太阳能转化为氢气的一种很有前景的策略。TiO2基光催化剂因无毒、结构稳定、生产成本低而得到广泛应用。TiO2在各个应用领域都取得了巨大进展，包括光催化分解水产氢，废水净化或空气净化等。但对于纯TiO2，快速的光生载流子复合和缓慢的质子还原动力学阻碍了其实际应用。因此，解决这些问题对于加强电荷分离和促进氢气生成至关重要。针对上述问题，已有几种解决办法，如掺杂、缺陷工程、构建异质结、负载单原子等，以减少光生载流子复合并改善氢的析出。
[0003]其中，单原子具有不饱和配位，可以产生较高的表面自由能，提高光催化剂的活性。然而，在合成和催化反应过程中，单原子由于其高表面能而容易聚集，或者由于不牢固的锚定而损失。为了解决单原子锚定的问题，研究者常采用一些复杂且难以控制的苛刻合成条件，大大增加了合成难度和成本。最重要的是单原子必须在催化剂表面才能起到作用，上述一系列复杂且难以控制的苛刻合成条件还不能保证单原子较高的表面暴露率，于是研究者们尝试提高单原子的负载量以进一步提高光催化性能，对于负载贵金属单原子而言，无疑增加了合成成本。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂及其制备方法，获得了一种金属单原子负载的高分散性、大比表面积TiO2量子点光催化剂。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本专利技术提供了一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂，由以下原料经一步水热法合成，所述原料包括钛源、水解抑制剂、乙醇和金属盐。
[0007]优选地，所述钛源、水解抑制剂、乙醇的体积比为1:(0.5～5):(10～20)。
[0008]优选地，所述钛源和金属盐的摩尔比为(98～99.99):(0.01～2)。
[0009]优选地，所述钛源包括钛酸四丁酯、钛酸四丙酯或四氯化钛。
[0010]优选地，所述水解抑制剂包括三乙醇胺、盐酸、乙酸、乙酰丙酮中一种或几种的组合。
[0011]优选地，所述金属盐包括渡族金属盐、贵金属盐、稀土金属盐、主族金属盐或碱土金属盐中的一种或两种，更优选地，所述金属盐中的金属元素包括Fe或Co或Ni或Cu或Mn或Zn或Ag或Au或Pt或Pd或Ru或Rh或La或Ce或Sm或Er或Sn或In或Bi或Mg或Ca中的一种或两种。
[0012]优选地，所述一步水热法包括：将钛源加入乙醇中，随即加入水解抑制剂和金属盐，在80～180℃下反应20～90小时。
[0013]本专利技术还提供了一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂的制备方法，包括：将钛源加入乙醇中，随即加入水解抑制剂和金属盐，在80～180℃下反应20～90小时、离心洗涤，即可获得单原子负载的TiO2量子点光催化剂。
[0014]优选地，所述钛源、水解抑制剂、乙醇的体积比为1:(0.5～5):(10～20)；所述钛源和金属盐的摩尔比为(98～99.99):(0.01～2)。
[0015]优选地，所述钛源包括钛酸四丁酯、钛酸四丙酯或四氯化钛；所述水解抑制剂包括三乙醇胺、盐酸、乙酸、乙酰丙酮中一种或几种的组合；所述金属盐包括渡族金属盐、贵金属盐、稀土金属盐、主族金属盐或碱土金属盐中的一种或两种，更优选地，所述金属盐中的金属元素包括Fe或Co或Ni或Cu或Mn或Zn或Ag或Au或Pt或Pd或Ru或Rh或La或Ce或Sm或Er或Sn或In或Bi或Mg或Ca中的一种或两种。
[0016]本专利技术通过严格控制水解抑制剂的配比和用量，从而控制钛源的水解速率，以达到控制TiO2形核速率和长大速率的目的。若钛源水解过快，则TiO2晶核长大速率加快，得到的TiO2颗粒粗大、形貌不一、比表面积较小；若钛源水解过慢，TiO2晶粒尺寸较小、结晶性较差、易团聚。因此，钛源的水解速率必须合适，才能得到高分散性、高结晶度和大比表面积的TiO2量子点。本专利技术的制备方法适用于负载过渡金属、贵金属、稀土金属、主族金属和碱土金属，除了水解抑制剂，原位加入的金属盐也会对钛源的水解速率有所影响，本专利技术涵盖了添加不同金属盐所需的水解抑制剂配方和用量，不管负载何种金属单原子，均能提高其表面暴露率，从而提高光催化活性。
[0017]本专利技术的有益效果如下：
[0018]1)制备方法简单、成本低。制备单原子负载的TiO2量子点光催化剂仅需一步水热法，通过控制水解抑制剂的配比和用量，以控制钛源的水解速率，从而获得高分散性、大比表面积TiO2量子点。在水热过程中，TiO2形成晶核并长大，具有良好的结晶性，不需要热处理，制备工艺简单温和、成本低廉。
[0019]2)单原子表面暴露率高。由于基底TiO2量子点分散性好、比表面积大，尺寸小(2
‑
3nm)且尺寸分布窄，故负载其上的金属单原子暴露在其表面上的数量增加，催化活性得以提高。
[0020]3)光催化活性高。表面单原子暴露率增加，相当于有效活性位点增加，故催化剂的催化活性得以提高。
附图说明
[0021]图1为实施例7所制得的铜单原子负载的TiO2量子点的透射电镜(TEM)图像及粒径分布。
[0022]图2为实施例7所制得的铜单原子负载TiO2量子点的球差电镜(HAADF STEM)分析。
[0023]图3为实施例7所制得的铜单原子负载TiO2量子点在模拟太阳光的照射下分解水的产氢量及循环产氢性能。
[0024]图4为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7制备得到的不同单原子负载TiO2及对比例制备得到的纯TiO2光催化剂在模拟太阳光下的产氢量对比。
具体实施方式
[0025]下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步的说明，但不以任何方式对本专利技术加以限制，基于本专利技术所作的任何变换或替换，均属于本专利技术的保护范围。
[0026]如未有特殊说明，本专利技术中采用的原料均可从现有市售材料中获得。
[0027]下面以具体实施案例对本专利技术做进一步说明：
[0028]实施例1
[0029]按比例将10mL钛酸四丁酯加入160mL乙醇中，随即加入水解抑制剂10mL(8mL三乙醇胺+2mL 10％的乙酸)和59mg九水硝酸铁，在150℃下反应50小时、离心洗涤，即获得铁单原子负载的高分散、大比表面积TiO2量子点光催化剂(钛和铁的摩尔比为99.5:0.5)。
[0030]实施例2
[0031]按比例将10mL钛酸四丁酯加入160mL乙醇中，随即加入水解抑制剂12mL(8mL三乙醇胺+4mL 10％的乙酸)和118mg九水硝酸铁，在150℃下反应60小时、离心洗涤，即获得铁单原子负载的高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂，由以下原料经一步水热法合成，所述原料包括钛源、水解抑制剂、乙醇和金属盐。2.根据权利要求1所述的一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂，其特征在于，所述钛源、水解抑制剂、乙醇的体积比为1:0.5～5:10～20。3.根据权利要求1所述的一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂，其特征在于，所述钛源和金属盐的摩尔比为98～99.99:0.01～2。4.根据权利要求1所述的一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂，其特征在于，所述钛源包括钛酸四丁酯、钛酸四丙酯或四氯化钛。5.根据权利要求1所述的一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂，其特征在于，所述水解抑制剂包括三乙醇胺、盐酸、乙酸、乙酰丙酮中一种或几种的组合。6.根据权利要求1所述的一种单原子负载的TiO2量子点光催化剂，其特征在于，所述金属盐包括渡族金属盐、贵金属盐、稀土金属盐、主族金属盐或碱土金属盐中的一种或两种，所述金属盐中的金属元素包括Fe或Co或Ni或Cu或Mn或Zn或Ag或Au或Pt或Pd或Ru或Rh或La或Ce或Sm或Er或Sn或In或Bi或Mg或Ca中的一种或两种。7.根据权利要求1
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6任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：周桐，赵建红，
申请(专利权)人：南京同宁新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：