一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料及制备与应用制造技术

技术编号:19074444 阅读:152 留言:0更新日期:2018-09-29 17:14
本发明专利技术属于发光材料领域,具体涉及一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料及制备与应用。本发明专利技术将可溶性金盐溶液和柠檬酸三钠溶液混合,搅拌反应;加入抗坏血酸溶液,搅拌继续反应;然后加入TiF4溶液,进行水热反应,离心、洗涤,得到Au@TiO2核壳结构纳米材料;将Au@TiO2核壳结构纳米材料分散于水中;然后加入稀土氯化物溶液,进行水热反应,离心洗涤,得到稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料。该材料具有较宽上转换的发射谱带和较低的激发阈值;此外,还具有光热转换和光催化等的多重功能,在太阳电池、LED照明、生物传感和环境保护领域具有重要的潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料及制备与应用
本专利技术属于发光材料领域,具体涉及一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料及制备与应用。
技术介绍
近几年,随着人们环境保护意识的增强以及能源危机的出现,寻找合适的绿色能源替代传统能源受到了科学界和工业界的广泛关注。太阳电池作为一种能把太阳能转换为电能的光电器件,提供了一种获取绿色能源的有效途径,成为科研工作者关注的焦点之一。制备出能有效利用太阳能且效率较高的太阳电池成了广大科研工作者的研究热点领域。在太阳光谱中,大部分光波位于可见和红外波段,其中红外波段的光(800~1700nm)大约占比55~60%。在单个太阳电池中,由于大部分的吸光物质无法有效的吸收近红外光,极大地限制了太阳电池的光转换效率。上转换发光材料是一种通过多光子机制可以将红外光转换为可见光发射的物质,为高效利用太阳光提供了一种有效的方法。然而,目前基于上转换发光层的太阳电池的光电能量转换效率还比较低,基本处于实验研究阶段,一些基本的科学问题还没有解决,如:1)传统的稀土上转换发光材料发射光谱较窄,无法与感光材料的吸收谱良好匹配;2)目前上转换发光材料的发光效率较低且激发阈值较高。为了解决这些基本科学问题,研究者们采用了不同的方法。例如,设计开发低声子能量的新的基质材料或掺杂不同的稀土离子;在上转换纳米材料表面包覆不同的物质,降低材料表面的缺陷和悬挂键;设计与贵金属复合的纳米复合材料等等。中国专利技术专利(公开号CN105969347A)公开了一种Yb3+@Eu3+@Y3+共掺杂CaF2的上转换发光材料,提供了一种在~980nm近红外光激发下获得上转换白光的方法,该专利技术专利主要是采用三种稀土离子掺杂的方法,制备了一种白色上转换发光材料,没有涉及到贵金属纳米材料核壳结构。中国专利技术专利(公开号CN107163930A)公开了一种具有核壳结构的白光红外上转换复合发光材料,所述的上转换复合材料是发蓝光的红外上转换纳米材料与具有橙红色荧光特性的量子点组成,该专利技术专利的特点是以上转换纳米材料为核,量子点材料为壳制备核壳结构。文献[J.Phys.Chem.C2014,118,3258-3265]报道了一种Yb2O3@Au上转换纳米复合材料,在制备的过程中,金纳米棒逐渐地溶解成小的金纳米颗粒分散在上转换纳米材料中,该材料具有宽带激发和宽带发射的特点。众所周知,贵金属纳米材料,尤其是金纳米材料,由于具有表面等离子共振特性,能够增强荧光体的发光强度等,成为近年来发光材料研究的热点。上述已经有文献报道的结果,有的没有利用贵金属纳米材料的制备核壳纳米结构,有的是将金纳米材料溶解到发光材料中,所制备的材料不具有宽带发射或低阈值激发的性质。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足和缺点,本专利技术的首要目的在于提供一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料。本专利技术的再一目的在于提供上述稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现:一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料的制备方法,包含如下步骤:(1)将可溶性金盐溶液和柠檬酸三钠溶液混合,搅拌反应;加入抗坏血酸(AA)溶液,搅拌继续反应;然后加入TiF4溶液,进行水热反应,离心洗涤,得到Au@TiO2核壳结构纳米材料;(2)将步骤(1)制得的Au@TiO2核壳结构纳米材料分散于水中;然后加入稀土氯化物溶液,进行水热反应,离心洗涤,得到稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料;步骤(1)中所述的可溶性金盐优选为HAuCl4;步骤(1)中所述的可溶性金盐、柠檬酸三钠和抗坏血酸的摩尔比优选为1:2:1.2;步骤(1)中所述的可溶性金盐溶液、柠檬酸三钠溶液和抗坏血酸溶液的初始浓度优选为0.01M、0.01M、0.01M,其中,可溶性金盐溶液、柠檬酸三钠溶液、抗坏血酸溶液的体积比优选为1:2:1.2;步骤(1)中所述的搅拌反应的时间优选为4~6min;步骤(1)中所述的搅拌继续反应的时间优选为12~18min;步骤(1)中所述的可溶性金盐和TiF4的摩尔比优选为1:(6~24);步骤(1)中所述的TiF4溶液加入后的浓度优选为0.002~0.008M;步骤(1)中所述的水热反应的条件优选为100~180℃反应1~15h;步骤(1)中所述的TiF4和步骤(2)中所述的稀土氯化物的摩尔比优选为(6~24):2.64;步骤(2)中所述的稀土氯化物加入后浓度优选为0.0006~0.001M;步骤(2)中所述的稀土氯化物加入后浓度进一步优选为0.00088M;步骤(2)中所述的所述的稀土氯化物优选为YbCl3、ErCl3、TmCl3和HoCl3中的至少一种;步骤(2)中所述的所述的稀土氯化物进一步优选为YbCl3和其他稀土氯化物的混合物,其中,YbCl3和其他稀土氯化物的摩尔比优选为10:1;所述的其他稀土氯化物优选为ErCl3、TmCl3和HoCl3中的至少一种;步骤(2)中所述的水热反应的条件优选为100~180℃反应3~15h;步骤(1)和(2)中所述的洗涤优选采用去离子水或乙醇离心洗涤3~5次;一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料,通过上述制备方法制备得到;所述的稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料在太阳电池、LED照明、生物传感和环境保护领域中的应用;本专利技术的原理:现有技术中,通常在基质材料中掺杂稀土离子所用的方法是共沉淀法,但是在柠檬酸稳定的金纳米颗粒胶体溶液中直接加入稀土离子溶液和TiF4溶液,会导致柠檬酸根离子和稀土离子容易形成螯合物,F离子和稀土离子容易生成稀土氟化物,从而容易造成金纳米颗粒的团聚和稀土离子难以掺入到半导体基质中。本专利技术在Au@TiO2核壳结构纳米材料基础上,进一步采用高温离子扩散法制备得到稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料,可以有效的解决上述问题;第二,本专利技术采用水热合成方法,制备Au@TiO2核壳结构纳米材料,与传统微波加热法以及现有的水热合成方法(RscAdvances,2014,4(7):3529-3535)相比,方法更简单,容易操作,设备简单。第三,本专利技术通过精确的控制实验参数,例如掺杂离子浓度和类型,TiF4溶液的浓度等,可以精确的控制掺杂离子浓度和类型以及TiO2壳层的厚度。第四,本专利技术制备得到的稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料在980nm红外激光激发下,在较低的激发阈值条件下,可以实现宽谱带的上转换发射。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果:(1)本专利技术通过在金纳米颗粒表面包覆一层厚度可控的氧化钛壳层,然后利用离子扩散方法,制备得到具有宽带发射的稀土离子掺杂的金纳米颗粒@氧化钛(Au@TiO2)核壳结构纳米材料,该材料能有效提高金纳米颗粒的稳定性,改变氧化钛纳米材料的光催化性质。(2)本专利技术克服了直接在TiO2壳层中掺杂稀土离子的问题,解决了传统的稀土上转换发光材料发射光谱较窄,无法与感光材料的吸收谱良好匹配,激发阈值高等问题,制得的稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料具有较宽上转换的发射谱带和较低的激发阈值;此外,还具有光热转换和光催化等多重功能。(3)本专利技术制备过程简单容易操本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料的制备方法,其特征在于包含如下步骤:(1)将可溶性金盐溶液和柠檬酸三钠溶液混合,搅拌反应;加入抗坏血酸溶液,搅拌继续反应;然后加入TiF4溶液,进行水热反应,离心、洗涤,得到Au@TiO2核壳结构纳米材料;(2)将步骤(1)制得的Au@TiO2核壳结构纳米材料分散于水中;然后加入稀土氯化物溶液,进行水热反应,离心洗涤,得到稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料的制备方法,其特征在于包含如下步骤:(1)将可溶性金盐溶液和柠檬酸三钠溶液混合,搅拌反应;加入抗坏血酸溶液,搅拌继续反应;然后加入TiF4溶液,进行水热反应,离心、洗涤,得到Au@TiO2核壳结构纳米材料;(2)将步骤(1)制得的Au@TiO2核壳结构纳米材料分散于水中;然后加入稀土氯化物溶液,进行水热反应,离心洗涤,得到稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料。2.根据权利要求1所述的稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的可溶性金盐为HAuCl4。3.根据权利要求1所述的稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的可溶性金盐、柠檬酸三钠和抗坏血酸的摩尔比为1:2:1.2。4.根据权利要求1所述的稀土掺杂Au@TiO2核壳结构纳米材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的搅拌反应的时间为4~6min;步骤(1)中所述的搅拌继续反应的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵军伟陈建赵娜
申请(专利权)人:洛阳理工学院
类型:发明
国别省市:河南,41

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