有序介孔二氧化钛‑纳米金复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种有序介孔二氧化钛‑纳米金复合材料的制备方法及其应用，包含以下步骤：将三嵌段共聚物、水溶性酚醛树脂、钛酸四丁酯和浓盐酸按照一定比例溶于乙醇中，通过溶剂蒸发诱导自组装过程和两步高温热处理得到淡紫色的有序介孔二氧化钛‑纳米金复合材料。本发明专利技术制得的产品具有可见光响应、比表面积大且孔道均一，在光催化二氧化碳还原领域具有广阔的应用前景。

Ordered mesoporous titania gold nanoparticle composite preparation method and application thereof

The invention discloses a preparation method and application of ordered mesoporous TiO2 nano Au composite material, which comprises the following steps: three block copolymer, water soluble phenolic resin, four butyl titanate and hydrochloric acid according to a certain proportion of soluble in ethanol, by solvent evaporation induced self-assembly process and two step high get the warm light purple ordered mesoporous titania gold nanocomposites. The products prepared by the invention have visible light response, large specific surface area and uniform pore path, and have broad application prospect in the field of photocatalytic carbon dioxide reduction.

【技术实现步骤摘要】
有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的制备方法及其应用
本专利技术属于光催化材料
，具体指代一种可见光响应的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的制备方法及其应用。
技术介绍
由于化石燃料短缺和地球气候变暖问题，二氧化碳的还原逐渐成为一个越来越重要的研究领域(Nat.Geosci.，2009，2，831–836.)。最近几十年，科学家不懈余力地开发二氧化碳还原的新技术，包括：生物转化、热催化、电催化、人工光合成、光电催化及光热催化。相比于其他技术，人工光合成面临的挑战最大，因为二氧化碳的热力学非常稳定，通过人工光合成制备的有机小分子(CH4，CO)产量依然非常低(Angew.Chem.Int.Ed.，2013，52，7372–7408.)。基于半导体的人工光合成体系，半导体需要一个合适的导带用来还原反应，一个合适的价带用来氧化反应。到目前为止，二氧化碳还原用常见的半导体主要集中在TiO2、SrTiO3、NaNbO3、镓酸盐、锗酸盐和钽酸盐等宽带隙半导体，而这些半导体只能在紫外光区有响应。我们知道太阳光谱中，只有10％左右的紫外光，剩下大部分是可见光和红外光，因此，要增加二氧化碳还原的能量转换效率，必须大力发展可见光区的材料。传统的可见光响应的半导体材料，如氮氧化物、硫化物、磷化物及金属有机配位化合物都无法满足二氧化碳与水的光催化过程的氧化半反应要求。最近几年，具有表面等离子体效应的纳米金被报道与传统的二氧化钛结合在一起可以在可见光区进行纯水分解(Nat.Mater.，2011，10，911.)。此外，光催化二氧化碳还原反应与其他非均相的催化反应类似，比表面积是非常重要的一个参数。目前，研究者已经证明了有序介孔半导体相比于颗粒或无序孔道的半导体具有更优异的光催化二氧化碳还原性能。在本专利技术中，我们通过将纳米金颗粒与有序介孔二氧化钛结合起来，使得复合材料具备可见光响应和优异的光催化二氧化碳还原能力。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种简单可靠、纳米金含量可调的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的制备方法及其应用。为达到上述目的，本专利技术的一种有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的制备方法，包括步骤如下：采用溶剂蒸发诱导自组装和两步热处理的方法制备白色的有序介孔二氧化钛；采用化学还原法在有序介孔二氧化钛的孔道内部沉积金纳米颗粒，得到有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料；所述的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料中金纳米颗粒的质量分数为1-9％。优选地，上述的制备方法具体包括：(1)将三嵌段共聚物F127、水溶性酚醛树脂、浓盐酸和钛酸四正丁酯溶于乙醇中，搅拌均匀形成酒红色的透明溶液，其质量比为三嵌段共聚物：水溶性酚醛树脂：浓盐酸：钛酸四正丁酯＝1：0.25：0.5：1.7；(2)将步骤(1)配制好的溶液转移到平底容器中，25℃～40℃下进行溶剂蒸发诱导自组装至少12h后，接着在70℃～120℃下热聚合至少12h得到酒红色的薄膜；(3)将步骤(2)得到的酒红色的薄膜首先在通有惰性气氛的气氛管式炉中350℃下保温3～5h，然后在通有空气的气氛管式炉中400℃下保温2～4h，升温速率控制在1℃/min，最后得到白色的有序介孔二氧化钛粉体。优选地，上述的制备方法具体包括：将一定量的氯金酸、去离子水、抗环血酸与有序介孔二氧化钛粉体混合，质量比为氯金酸：去离子水：抗坏血酸：二氧化钛＝0.02～0.18：1：1：1，常温下放置于真空干燥箱中静置12-24h，得到有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料。优选地，上述的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的孔径为3～5nm，金纳米颗粒的粒径为10～50nm。本专利技术还提供一种有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的应用，其中，上述的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料用于可见光光催化二氧化碳还原制备有机小分子燃料。优选地，上述应用的具体步骤为：取0.1g有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料粉体平铺于石英棉上，放置于密闭的玻璃装置中，经抽真空处理后，冲入80kPa的二氧化碳，同时注射3mL去离子水；采用300W氙灯作为光源，通过滤波片使得波长范围为420～780nm的可见光，光照45h；还原产物通过气相色谱进行检测。优选地，所述的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的二氧化碳光催化还原的产物为CH4和CO。本专利技术的有益效果：本专利技术将氯金酸加入到有序介孔二氧化钛的孔道中，可有效的控制金纳米颗粒的尺寸和负载量；二氧化钛中纳米金的存在可以实现复合材料的可见光响应；结合纳米金颗粒的等离子共振引起的热电子和在有序介孔孔道中的二氧化碳还原，极大地提高了有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的二氧化碳光催化还原性能。本专利技术提供的材料可在可见光下催化二氧化碳还原为甲烷和一氧化碳。附图说明图1为本专利技术实施例2所制备的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的透射电子显微镜照片图。图2为本专利技术实施例2、4、5所制备的样品的X射线衍射图谱。图3为本专利技术实施例2、4、5所制备的样品的紫外可见光吸收图谱。图4为本专利技术实施例1-5所制备的样品的二氧化碳还原反应CH4产物的析出曲线图。图5为本专利技术实施例1-5所制备的样品的二氧化碳还原反应CO产物的析出曲线图。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本专利技术作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本专利技术的限定。本专利技术的一种有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的制备方法，包括步骤如下：采用溶剂蒸发诱导自组装和两步热处理的方法制备白色的有序介孔二氧化钛；采用化学还原法在有序介孔二氧化钛的孔道内部沉积金纳米颗粒，得到有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料；所述的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料中金纳米颗粒的质量分数为1-9％。实施例1：(11)将三嵌段共聚物F127(分子式为PEO106-PPO70-PEO10)、水溶性酚醛树脂、浓盐酸和钛酸四正丁酯溶于乙醇中，搅拌均匀形成酒红色的透明溶液，它们的质量比为三嵌段共聚物：水溶性酚醛树脂：浓盐酸：钛酸四正丁酯＝1：0.25：0.5：1.7；(12)将步骤(11)配制好的溶液转移到平底容器中，25℃下进行溶剂蒸发诱导自组装12h后，接着在70℃下热聚合12h得到酒红色的薄膜；(13)将步骤(12)得到的酒红色的薄膜首先在通有氮气的气氛管式炉中350℃下保温3h，然后在通有空气的气氛管式炉中400℃下保温2h，升温速率严格控制在1℃/min，最后得到白色的有序介孔二氧化钛粉体；(14)将一定量的氯金酸、去离子水、抗环血酸与步骤(13)中的有序介孔二氧化钛粉体混合，质量比为氯金酸：去离子水：抗坏血酸：二氧化钛＝0.06：1：1：1，常温下放置于真空干燥箱中静置12h，得到有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料，金的负载量为3％。实施例2：(21)将三嵌段共聚物F127(分子式为PEO106-PPO70-PEO10)、水溶性酚醛树脂、浓盐酸和钛酸四正丁酯溶于乙醇中，搅拌均匀形成酒红色的透明溶液，它们的质量比为三嵌段共聚物：水溶性酚醛树脂：浓盐酸：钛酸四正丁酯＝1：0.25：0.5：1.7；(22)将步骤(21)配制好的溶液转移到平底容器中，40℃下进行溶剂蒸发诱导自组装24h后，接着在120℃下热聚合24h得到酒红色的薄膜；(23)将步骤(22)得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有序介孔二氧化钛‑纳米金复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：采用溶剂蒸发诱导自组装和两步热处理的方法制备白色的有序介孔二氧化钛；采用化学还原法在有序介孔二氧化钛的孔道内部沉积金纳米颗粒，得到有序介孔二氧化钛‑纳米金复合材料；所述的有序介孔二氧化钛‑纳米金复合材料中金纳米颗粒的质量分数为1‑9％。

【技术特征摘要】
1.一种有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：采用溶剂蒸发诱导自组装和两步热处理的方法制备白色的有序介孔二氧化钛；采用化学还原法在有序介孔二氧化钛的孔道内部沉积金纳米颗粒，得到有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料；所述的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料中金纳米颗粒的质量分数为1-9％。2.根据权利要求1所述的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的制备方法，其特征在于，上述的制备方法具体包括：(1)将三嵌段共聚物F127、水溶性酚醛树脂、浓盐酸和钛酸四正丁酯溶于乙醇中，搅拌均匀形成酒红色的透明溶液，其质量比为三嵌段共聚物：水溶性酚醛树脂：浓盐酸：钛酸四正丁酯＝1：0.25：0.5：1.7；(2)将步骤(1)配制好的溶液转移到平底容器中，25℃～40℃下进行溶剂蒸发诱导自组装至少12h后，接着在70℃～120℃下热聚合至少12h得到酒红色的薄膜；(3)将步骤(2)得到的酒红色的薄膜首先在通有惰性气氛的气氛管式炉中350℃下保温3～5h，然后在通有空气的气氛管式炉中400℃下保温2～4h，升温速率控制在1℃/min，最后得到白色的有序介孔二氧化钛粉体。3.根据权利要求2所述的有序介孔二氧化钛-纳米金复合材料的制备方法，其特征在于，上述的制备方法具体包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，冯亚亚，范晓莉，龚浩，高斌，郭虎，何建平，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32