基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，包括具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜和负载于TiO2纳米管表面的半导体纳米颗粒。本发明专利技术还公开一种基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料的制备方法。本发明专利技术的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料有效地拓展了TiO2的吸收带边，抑制了光生电子与空穴的复合，从而使基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料具有明显增强的可见光响应性能以及高效的电子传输效率。

Nano heterojunction composite photocatalysis material based on TiO2 and preparation method thereof

The invention discloses a nano heterojunction composite photocatalysis material based on TiO2, which comprises a TiO2 nanotube array film with a uniform metal doping phase and a semiconductor nano particle on the surface of the TiO2 nanotube. The invention also discloses a preparation method of nano heterojunction composite photocatalysis material based on TiO2. The invention of the TiO2 nano heterojunction composite photocatalytic materials to extend the absorption band edge of TiO2 on inhibiting the recombination of electrons and holes, so that the TiO2 nano heterojunction composite photocatalytic material has significantly enhanced the visible light response and efficient electron transfer efficiency based on.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光催化材料
，尤其是涉及一种用于可见光下降解有机物的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料及其制备方法。
技术介绍
作为n型半导体，TiO2纳米管阵列因比表面积大、有序程度高、制备简单、成本低廉等优点，在光催化、太阳电池、光解水制氢、传感器等领域有着广泛应用前景。然而，TiO2的禁带宽度较宽，约为3.2eV，使得只有小于5％的紫外光区域的太阳通可见光能够被有效吸收利用，导致TiO2纳米管阵列对可见光的利用率非常低；而且，在TiO2的光电化学应用中，光生电子和空穴容易快速复合，导致量子效率非常低，上述两种问题严重制约了TiO2在太阳电池、光催化，尤其是在可见光催化领域的实际应用。
技术实现思路
本专利技术实施方式主要解决的技术问题是提供聚氨酯复合材料及其制备方法，所述聚氨酯复合材料在高温下具有较好的抗冲击性能。为解决上述技术问题，本专利技术实施方式采用的一个技术方案是：提供一种基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，包括具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜和负载于所述TiO2纳米管表面的半导体纳米颗粒。在其中一些实施方式中，所述金属掺杂相的金属元素为Cu、Al、Ag、Zr、Ta、Fe、Nb、Zn、Mn或Cr中的至少一种或多种的组合。在其中一些实施方式中，所述金属掺杂相的金属元素为Cu。在其中一些实施方式中，所述半导体纳米颗粒的尺寸大小为5～50nm。在其中一些实施方式中，所述半导体纳米颗粒优选为Cu2O纳米颗粒。在其中一些实施方式中，所述基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料还包括钛合金基体，所述钛合金基体包括Ti和均匀固溶于Ti中的所述金属掺杂相的金属元素。在其中一些实施方式中，所述金属掺杂相的金属材料的质量占所述钛合金基体材料的质量的0～49％。在其中一些实施方式中，所述钛合金基体为片状、棒状、线状、螺旋状或筛网状。本专利技术实施方式还提供一种基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料的制备方法，包括：S1，制备钛合金基体；S2，在所述钛合金基体上制备具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜的前驱体；S3，对所述TiO2纳米管阵列薄膜的前驱体进行退火晶化，得到具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜；S4，在所述具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜上负载半导体纳米颗粒，得到基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料。在其中一些实施方式中，所述钛合金基体包括Ti和均匀固溶于Ti中的所述金属掺杂相的金属元素。在其中一些实施方式中，所述金属掺杂相的金属元素为Cu、Al、Ag、Zr、Ta、Fe、Nb、Zn、Mn或Cr中的至少一种或多种的组合。在其中一些实施方式中，所述步骤S2中采用阳极氧化方法在所述钛合金基体上制备具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜的前驱体。在其中一些实施方式中，在所述阳极氧化方法中，所述有机溶剂电解液包括乙二醇溶剂和浓度为0.2mol/L的NH4F、浓度为0.15mol/L的乳酸和体积分数为8％的去离子水。在其中一些实施方式中，在所述步骤S3中，退火处理温度为250℃～800℃，保温时间为1h～5h，升温速率为1～5℃/min，降温速率为1～10℃/min。在其中一些实施方式中，所述步骤S4中采用磁控溅射方法在所述具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜上负载半导体纳米颗粒。在其中一些实施方式中，所述磁控溅射方法采用直流磁控溅射，气氛为99.99％的氩气和氧气混合气体，分压为60:4-96:4，电流为0.1～0.5A，功率为50～100W，真空度为0.6～1.2Pa，衬底温度为25℃，时间为5～80s。在其中一些实施方式中，所述制备方法还包括以下步骤：S5，将所述基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料从所述钛合金基体上剥离。本专利技术实施方式的有益效果是：本专利技术实施方式的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，包括具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜，和负载于所述TiO2纳米管表面的半导体纳米颗粒，有效地拓展了TiO2的吸收带边，抑制了光生电子与空穴的复合，从而使基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料具有明显增强的可见光响应性能以及高效的电子传输效率。附图说明图1是本专利技术实施方式的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料的示意图。图2是本专利技术实施方式的具有均匀Cu掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜的前驱体放大5万倍的扫描电镜照片。图3是本专利技术实施方式的具有均匀Cu掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜上制备TiO2-Cu2O纳米异质结复合光催化材料放大8万倍的扫描电镜照片。图4是实施例1-3的TiO2-Cu2O纳米异质结复合光催化材料紫外-可见漫反射吸收图谱(UV-vis-DRS)。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本专利技术实施方式中，通过对TiO2纳米管进行掺杂改性和半导体复合，得到本专利技术实施方式的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料。所述掺杂改性包括金属和非金属掺杂改性，掺杂相可以有效地拓展TiO2的吸收带边，并且在一定程度上阻止光生电子和空穴的复合，从而提高了量子效率。所述半导体复合为将TiO2纳米管和半导体纳米颗粒进行复合，所述半导体纳米颗粒选择为窄禁带半导体，也就是说，所述半导体纳米颗粒的禁带宽度选择为小于TiO2的禁带宽度，所述半导体纳米颗粒可以为CdS、CdSe、CdTe和Bi2S3等硫属半导体，或者Cu2O、CuO、WO3、Fe2O3等氧化物半导体纳米颗粒。所述半导体纳米颗粒价带的电子可以吸收可见光的光子能量而被激发，从而拓宽了TiO2纳米管的光吸收区域；而且由于TiO2和半导体纳米颗粒具有不同的带隙宽度和能级价带，在电子场力的作用下，电子从电势较低的半导体纳米颗粒流向电势较高的TiO2纳米管，使电子和空穴分别在半导体纳米颗粒和TiO2纳米管中富集，从而使光生电子与空穴分离，抑制了光生电子与空穴的复合。请参阅图1，本专利技术实施方式中，基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料100包括具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜101，和负载于所述TiO2纳米管表面的半导体纳米颗粒105。所述金属掺杂相均匀地分布于TiO2纳米管的管壁中，也就是说，本专利技术实施方式中，所述掺杂相并不是覆设于TiO2纳米管的表面，而是均匀地掺杂于TiO2纳米管的体材中。本专利技术实施方式中，所述金属掺杂相的金属元素为Cu、Al、Ag、Zr、Ta、Fe、Nb、Zn、Mn或Cr中的至少一种或多种的组合。进一步地，所述金属掺杂相的金属材料优选为Cu、Ag或Fe中的至少一种或组合。再进一步地，所述金属掺杂相的金属元素优选为Cu。本专利技术实施方式中，所述半导体纳米颗粒的尺寸大小为～5-50nm。所述半导体纳米颗粒优选为Cu2O纳米颗粒。需要指出的是，本专利技术实施方式中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，包括具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜和负载于所述TiO2纳米管表面的半导体纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，包括具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜和负载于所述TiO2纳米管表面的半导体纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，所述金属掺杂相的金属元素为Cu、Al、Ag、Zr、Ta、Fe、Nb、Zn、Mn或Cr中的至少一种或多种的组合。3.根据权利要求2所述的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，所述金属掺杂相的金属元素为Cu。4.根据权利要求1所述的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，所述半导体纳米颗粒的尺寸大小为～5-50nm。5.根据权利要求1所述的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，所述半导体纳米颗粒优选为Cu2O纳米颗粒。6.根据权利要求1所述的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，所述基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料还包括钛合金基体，所述钛合金基体包括Ti和均匀固溶于Ti中的所述金属掺杂相的金属元素。7.根据权利要求6所述的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，所述金属掺杂相的金属材料的质量占所述钛合金基体材料的质量的0～49％。8.根据权利要求6所述的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料，其特征在于，所述钛合金基体为片状、棒状、线状、螺旋状或筛网状。9.一种基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料的制备方法，其特征在于，包括：S1，制备钛合金基体；S2，在所述钛合金基体上制备具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜的前驱体；S3，对所述TiO2纳米管阵列薄膜的前驱体进行退火晶化，得到具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜；S4，在所述具有均匀金属掺杂相的TiO2纳米管阵列薄膜上负载半导体纳米颗粒，得到基于TiO2的纳米异质结复合光催化材料。10.根据权利要求9所述的基于TiO2的纳米异质结复合光催化材...

【专利技术属性】
技术研发人员：马清，占旭，檀满林，符冬菊，陈建军，
申请(专利权)人：深圳清华大学研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44