一种TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管及其制备方法。该纳米管从内向外依次为钛酸纳米管TNT/CdS量子点/TiO2壳层/金属Pt。本发明专利技术利用水热法制得钛酸纳米管载体(TNT)，采用热注入法制得CdS量子点，以钛酸纳米管载体(TNT)为主体，负载CdS量子点后，采用原子层沉积技术生长TiO2壳层和负载Pt制备得到TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管。本发明专利技术所制备的核壳结构复合材料结构规整，电子传递路径有序，稳定性好，具有优良的光催化活性，在锂离子电池、超级电容器、气体传感和光催化等方面有很好的应用。

A TNT/CdS/titanium dioxide/Pt core-shell nanotube and its preparation method

The invention discloses a TNT/CdS/TiO2/Pt core-shell structure nanotube and a preparation method thereof. The order of the nanotubes from inside to outside is TNT/CdS quantum dots/titanium dioxide shell/metal Pt. The titanate nanotube carrier (TNT) is prepared by hydrothermal method and CdS quantum dots are prepared by thermal injection method. After loading CdS quantum dots, the core-shell structure nanotubes of TNT/CdS/TiO2/Pt are prepared by atomic layer deposition technology. The core-shell structure composite material prepared by the invention has regular structure, orderly electron transfer path, good stability, excellent photocatalytic activity, and good application in lithium ion batteries, supercapacitors, gas sensing and photocatalysis.

【技术实现步骤摘要】
一种TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管及其制备方法
本专利技术涉及一种核壳结构纳米管及其制备方法，尤其涉及一种TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管及其制备方法。
技术介绍
近年来，人类社会所面临着能源短缺和环境污染两大主要问题。人类社会自从了进入工业化的阶段后，工业污染的排放以及能源的消耗都迅速增加。因此通过科技的发展和技术的创新来开发可持续的、环境友好的以及价格低廉的新能源具有重大的意义。太阳能是一种无污染的、可持续的、能量巨大的且普遍的能源，被人们认为是化石能源的最理想的替代者。现如今，将太阳能转化为其他形式的二次能源(如电能和化学能等)是科学家重点研究的方向。在化学能的体系中，氢能越来越受到科学家们的重视。因为氢元素在地球上含量丰富，大量地存在于水中，具有高燃烧值、高效率，燃烧后唯一产物是水，清洁无污染的特点。此外，氢气没有任何毒性，易于存储，运输方便，且使用起来相对比较安全。所以，氢能是最理想的绿色无污染新能源之一。因此，如何将太阳能转化为氢能变成了科学家们的主要研究领域之一，利用太阳能光催化分解水制氢，近年来已引起世界各国的广泛重视。在半导体材料光催化体系内，TiO2具有廉价、无毒、稳定性高，紫外光产氢活性好，自然界存储量丰富等优点。CdS禁带较窄，在可见光区有较强的吸收能力，光催化活性高，多年来在光催化研究领域受到广泛关注。然而，TiO2存在禁带宽度大，太阳能利用率低，光生载流子易复合，光催化效率低的问题。CdS在水溶液中极易受到光腐蚀，稳定性差，本身具有一定毒性会对环境造成污染。对TiO2进行改性，增加其可见光响应能力，对CdS进行改性，增加其稳定性，对实际应用有着重要的意义。为了提高光的利用率和量子效率，目前，有数种常用的半导体光催化剂的改性技术，主要包括尺寸量子化、半导体复合、担载助催化剂、形成异质结等。催化剂尺寸量子化可缩短电子传递路径；半导体复合的方法是利用两种能带位置匹配的半导体复合，因为能级的耦合作用促进电荷分离；担载铂助催化剂可形成肖特基势能垒，利于俘获电子；形成异质结后其内部可产生促使电子空穴分离的内建电场。TiO2与CdS可以进行很好的type-II复合，钛酸纳米管与不同晶型的TiO2可形成异相结，负载Pt可提供活性位点，抑制电子-空穴的复合，提高量子效率，扩大对光的吸收范围，提高产氢活性和可见光利用效率。目前存在的二氧化钛、硫化镉和铂三元光催化剂的形貌、结构和复合位置比较混乱，电子传递路径比较复杂，大部分的光生电子空穴对会发生复合，降低了量子效率。因此，对催化剂结构和形貌进行合理的设计，调控电子传递路径，提高电子空穴对的分离效率至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构有序，稳定性好，光催化效率高且制备方法简单的TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管及其制备方法。一种TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管，从内向外依次为钛酸纳米管载体(TNT)/负载的CdS量子点/TiO2壳层/负载的金属Pt。以钛酸纳米管载体(TNT)为主体，通过负载的CdS量子点、生长TiO2壳层和负载的金属Pt形成复合材料。钛酸纳米管载体(TNT)直径在50～300纳米，CdS量子点直径在4～6纳米，钛酸纳米管载体(TNT)与TiO2壳层形成异质结，TiO2壳层厚度在1～8纳米，金属Pt颗粒大小在0.5～3纳米。制备上述的TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管的方法，包括如下步骤：步骤(1)钛酸纳米管载体(titanatenanotubes，TNT)制备：将商品TiO2加入NaOH(10M)的水溶液中，在150℃下水热反应2～4天，然后抽滤用去离子水洗涤，再将洗涤后的固体样品在0.1～1mol/LHCL中搅拌2小时，之后抽滤并用去离子水洗涤，将获得的滤饼放入110℃烘箱中干燥6～24小时。再将干燥后的样品研磨后在300～800℃热处理4～8小时，获得钛酸纳米管载体。所述的NaOH的浓度为10M/L；所述商品TiO2的含量为：16～64g/L，；步骤(2)CdS量子点制备：将CdO、1-十八烯和油酸混合，在惰性气体保护下加热至260～320℃，然后加入溶有硫粉的三正辛基磷，CdO与S的摩尔比为1，使温度在220～320℃保持3～10分钟。将冷却后的产物用正己烷和丙酮多次提纯分离。在提纯后的样品中加入巯基丙酸，搅拌6～24小时，然后将与巯基丙酸反应后得到的产物用水和丙酮多次提纯分离，获得水溶性CdS量子点。所述的CdO、1-十八烯和油酸混合后CdO浓度范围为0.1～0.4M；所述的三正辛基磷中硫粉的浓度范围为1～8M；步骤(3)CdS量子点与钛酸纳米管(TNT)复合催化剂的制备：将步骤(1)得到的钛酸纳米管载体与步骤(2)的CdS量子点混合，超声0.5～1小时使其充分分散，然后将超声后的样品进行冷冻干燥，获得TNT/CdS复合催化剂。所述的钛酸纳米管载体与CdS量子点混合的摩尔比为1～11。步骤(4)TNT/CdS/TiO2核壳催化剂的制备：将步骤(3)得到的TNT/CdS复合催化剂放在原子层沉积真空室内，进行TiO2原子层沉积，获得TNT/CdS/TiO2核壳催化剂。使用原子层沉积方法(ALD)沉积TiO2时，以有机钛和水作为前驱体，前驱体脉冲时间大于5ms，制备过程中，以高纯氮气或氩气为载体，保持载气流量大于10sccm，反应温度大于50℃，小于400℃，反应时间大于1s，前驱体清洗时间大于3s，在TNT/CdS复合催化剂表面生长出TiO2，循环步骤(4)10-80次生长出TiO2保护层。所述的有机钛的钛源包括四氯化钛、四二甲氨基钛或异丙醇钛；步骤(5)TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构催化剂的制备：将步骤(4)得到的TNT/CdS/TiO2核壳催化剂放在原子层沉积真空室内，进行Pt原子层沉积，获得TNT/CdS/TiO2/Pt核壳催化剂。使用原子层沉积方法(ALD)沉积Pt时，以有机Pt和臭氧作为前驱体，前驱体脉冲时间大于5ms，以高纯氮气或氩气为载体，保持载气流量大于10sccm，反应温度大于150℃，小于400℃，反应时间大于1s，前驱体清洗时间大于3s，循环此制备过程1-20次生长出Pt。本专利技术中，先用水热法制备钛酸纳米管载体，以及用热注入法制备CdS量子点，再将钛酸纳米管与CdS量子点复合，然后运用ALD的方法沉积TiO2壳层，再在核壳催化剂上负载Pt，从而得到TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管。本专利技术制备的的纳米管，能够用于锂离子电池、气体催化、光催化分解水制氢、光催化降解污染物或气敏传感中。本专利技术的有益效果在于：TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管，从内向外依次为钛酸纳米管(TNT)/CdS量子点/TiO2壳层/金属Pt。核壳结构的设计利用TiO2与CdS两者的能级匹配，促使被激发电子从CdS转入TiO2中，而负载Pt形成的肖特基势垒使得电子从TiO2向Pt转移，从而实现电子传递路径的调控。同时，TiO2壳层结构能有效防止CdS发生光腐蚀，钛酸纳米管与TiO2壳层形成的异质结有利于界面处光生载流子的分离，TiO2壳层厚度小，电子传输距离短，光生载流子复合少，同时负载的Pt增加光傕化剂表面的活性位点，从而有效的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管，其特征在于从内向外依次为钛酸纳米管载体/负载的CdS量子点/TiO2壳层/负载的金属Pt；以钛酸纳米管载体为主体，通过负载的CdS量子点、生长TiO2壳层和负载的金属Pt形成复合材料；钛酸纳米管载体直径在50～300纳米，CdS量子点直径在4～6纳米，钛酸纳米管载体与TiO2壳层形成异质结，TiO2壳层厚度在1～8纳米，金属Pt颗粒大小在0.5～3纳米。

【技术特征摘要】
1.一种TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管，其特征在于从内向外依次为钛酸纳米管载体/负载的CdS量子点/TiO2壳层/负载的金属Pt；以钛酸纳米管载体为主体，通过负载的CdS量子点、生长TiO2壳层和负载的金属Pt形成复合材料；钛酸纳米管载体直径在50～300纳米，CdS量子点直径在4～6纳米，钛酸纳米管载体与TiO2壳层形成异质结，TiO2壳层厚度在1～8纳米，金属Pt颗粒大小在0.5～3纳米。2.根据权利要求1所述的一种TNT/CdS/TiO2/Pt核壳结构纳米管，其特征在于制备方法包括如下步骤：步骤(1)钛酸纳米管载体制备：将商品TiO2加入NaOH的水溶液中，在150℃下水热反应2～4天，然后抽滤用去离子水洗涤，再将洗涤后的固体样品在0.1～1mol/LHCL中搅拌2小时，之后抽滤并用去离子水洗涤，将获得的滤饼放入110℃烘箱中干燥6～24小时；再将干燥后的样品研磨后在300～800℃热处理4～8小时，获得钛酸纳米管载体；步骤(2)CdS量子点制备：将CdO、1-十八烯和油酸混合，在惰性气体保护下加热至260～320℃，然后加入溶有硫粉的三正辛基磷，CdO与S的摩尔比为1，使温度在220～320℃保持3～10分钟；将冷却后的产物用正己烷和丙酮多次提纯分离；在提纯后的样品中加入巯基丙酸，搅拌6～24小时，然后将与巯基丙酸反应后得到的产物用水和丙酮多次提纯分离，获得水溶性CdS量子点；步骤(3)CdS量子点与钛酸纳米管复合催化剂的制备：将步骤(1)得到的钛酸纳米管载体与步骤(2)的CdS量子点混合，超声0.5～1小时使其充分分散，然后将超声后的样品进行冷冻干燥，获得TNT/CdS复合催化剂；步骤(4)TNT/CdS/TiO2核壳催化剂的制备：将步骤(3)得到的TNT/CdS...

【专利技术属性】
技术研发人员：程党国，刘慧，陈丰秋，詹晓力，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33