一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的制备方法，本发明专利技术制备的金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料由二氧化钛纳米花和金纳米颗粒复合而成，其中二氧化钛纳米花提供大比表面积且富含大量氧空位。金纳米颗粒均匀沉积在二氧化钛表面，两者之间形成紧密的接触界面。本发明专利技术的金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料是一种高效，稳定的光电转化材料，采用一步简单还原法制备，制备过程简单，反应条件容易控制，适用于大规模制备和工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种在二氧化钛纳米花表面沉积金纳米颗粒制备金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的方法与应用，属于纳米材料和光催化

技术介绍
21世纪人类走可持续发展道路的过程中将面临的两大挑战就是能源问题和环境问题。太阳能具有清洁、廉价、可再生等优点，如何高效利用太阳能将是解决能源问题的主要手段之一。光催化产氢技术正是以太阳能的化学转化与储存为核心，通过太阳能激发半导体实现高效率光分解水制备氢气。半导体光催化剂如二氧化钛、氧化锌等引起了人们的极大重视，但是在实际应用中这些光催化剂大多数为宽带隙半导体，光的吸收波长范围狭窄，限制在紫外区，仅占太阳光谱的4％，对太阳光谱的利用效率低下，量子效率低下。因此，开发新型高效的可见光催化剂已经逐渐成为催化剂研究中最热门的研究方向之一。二氧化钛作为传统的光催化剂，由于其化学稳定性高、耐光腐蚀、氧化能力强、光催化反应驱动力大和光催化活性高等优点，导致二氧化钛被广泛应用在光催化领域，但二氧化钛禁带宽度3.2eV，光吸收仅限于紫外光区，这部分光仅占太阳光谱的4％，且其量子效率低，在很大程度上限制了二氧化钛光催化材料的大规模工业化应用。值得注意的是，控制二氧化钛缺陷态的浓度，也可以有效地拓宽其光吸收范围。比如在二氧化钛中引入氧空位缺陷态的方式，可以将二氧化钛的光吸收范围拓宽到可见光区。然而必须指出的是，大量氧空位的存在会抑制其光生电子与空穴的分离，导致光催化活性降低。这是由于光生电子会束缚在氧空位上，进而导致光生电子的迁移能力较弱。在二氧化钛表面负载少量小尺寸金纳米粒子作为共催化剂可以提高载流子分离效率，来获得高活性光催化性能，并且沉积的金纳米颗粒与载体二氧化钛纳米花形成紧密界面，提高光生载流子的分离，促进光催化产氢的效率，并且由于金纳米粒子等离子共振效应存在可以极大拓宽二氧化钛在可见光区的吸收范围。在富氧空位缺陷态二氧化钛表面沉积金纳米颗粒，二氧化钛氧空位的存在可以提高其光吸收性能，同时又注意到大量的氧空位作为电子空穴的复合中心，会抑制其光生电子空穴的分离。所以，通过在二氧化钛表面沉积贵金属促进其光生载流子的分离。同时金纳米颗粒也可以有效拓宽二氧化钛的光吸收范围。此外，由于二氧化钛表面氧空位缺陷态的存在，可以增强贵金属纳米粒子与二氧化钛之间的界面作用，降低载流子在两者界面的损耗，促使其光生载流子高效分离。该法具有操作简单、无毒、高效以及可以大面积生产等优势，因此，其具有产业化的可行性。
技术实现思路
本专利技术目的是针对上述问题，提供一种利用二氧化钛氧空位具备还原性一步沉积金纳米颗粒制备新型复合材料的制备方法，解决了现有技术中二氧化钛光生载流子内部复合严重以及光吸收范围窄等问题。本专利技术采用以下技术方案：一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：先将异丙醇加入到二乙烯三胺中，搅拌均匀，再加入二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯，异丙醇、二乙烯三胺和二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的体积比为1260～2520:1～10:45～360，搅拌均匀，倒入反应釜中，200～220℃条件下，溶剂热处理24～36小时，洗涤，干燥，将得到纳米材料以1～10℃/min升温到退火温度，退火温度为425℃，退火时间为2小时，得到前驱体富氧空位二氧化钛纳米花材料。步骤2：利用步骤1所制备二氧化钛纳米花的氧空位缺陷的还原性来实现金纳米颗粒的负载，具体为：将100mg二氧化钛纳米花均匀分散在50mL去离子水中，再加入体积为0.21～0.42mL，含有2.1mg氯金酸的氯金酸溶液，然后进行水浴，水浴温度为80～100℃，反应时间为2～5小时，洗涤，干燥，得到金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料。进一步地，步骤1中反应温度为200℃，反应时间为24小时，异丙醇、二乙烯三胺和二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的体积比为1260:1:45。进一步地，步骤2中水浴温度为80℃，反应时间为2小时。一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料，所述二氧化钛纳米花由锐钛矿相的二氧化钛纳米片组成，二氧化钛纳米片厚度2～9nm。粒径2～9nm的金负载于二氧化钛纳米片表面，形成异质结结构。所制备的金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料作为光催化剂的应用：分解水制氢，分解水制氧，降解污染物，生物抗菌，光电分解水，有机物合成等其它纳米材料有关应用领域。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供一种利用二氧化钛纳米花富含的氧空位的还原性，在二氧化钛纳米花表面一步沉积小尺寸金纳米颗粒来制备新型复合材料的制备方法，二氧化钛纳米花由超薄纳米片自组装形成、具备大比表面积以及三维分级结构。该纳米材料由于具备特殊地高比表面积和三维结构，导致其拥有大量活性位点，可以快速转移光电子以及同时增加光的多次散射性能，进而提高了光催化产氢效率。与此同时氧空位具备还原性，并且与金纳米颗粒离子发生氧化还原反应时，两者之间发生电荷转移，所以利用二氧化钛氧空位还原性一步沉积金纳米颗粒制备新型复合材料的方法，可以获得紧密的贵金属金纳米颗粒与二氧化钛纳米花相界面，另外，所沉积的金纳米颗粒由于尺寸小，导致所制备的金纳米颗粒在可见光区具备很强的等离子共振效应，因此，该方法制备的金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料，在模拟光源下，表现出优异的光催化产氢性能。并且用这种方法还可以控制金负载的量以及金纳米颗粒的尺寸，提高光催化产氢性能。本复合纳米材料生产成本低，制备工艺简单，利于工业化生产；本专利技术大大降低了光催化剂的生产成本的同时显著提高了光催化产氢效率，具备极大的应用前景。附图说明图1是实施例1所制备金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的扫描电子显微镜图(SEM)。图2、3是实施例1所制备金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的透射电子显微镜图(TEM)。图4是实例5中金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料作为光催化剂时光解水产氢曲线图。具体实施方式：下面结合实施例对本专利技术作进一步说明。以下实施例用来解释说明本专利技术，而不是对本专利技术进行限制，在本专利技术的精神和权利要求的保护范围内，对本专利技术作出的任何修改和改变，都落入本专利技术的保护范围。实施例1：步骤1：在31.5mL异丙醇中加入二乙烯三胺(EDTA)0.025mL，搅拌10min。再往溶液中再加入二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯1.125mL。继续搅拌10min。将所得混合溶液倒入反应釜中，在200℃条件下溶剂热处理24小时。反应结束后将沉淀物用去离子水和无水乙醇分别洗涤三次，置于60℃烘箱中，干燥24小时，最后将反应物置于马弗炉内，升温速度1℃/min，温度425℃下退火2小时，得到前驱体二氧化钛纳米花材料。步骤2：取前驱体二氧化钛纳米花100mg加入在50mL去离子水中，加入含有2.1mg氯金酸的氯金酸溶液0.21mL。保持溶液水浴温度80℃，反应时间为2小时。反应结束后将沉淀物用去离子水和无水乙醇分别洗涤三次，60℃干燥24小时后，得到金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料。图1是实施例1所制备复合材料的扫描电子显微镜图(SEM)，从图中可以清楚的看出金纳米颗粒/二氧化钛纳米花的尺寸为500～1000nm，其由超薄二氧化钛纳米片自组装形成，纳米片厚度为2～9nm。图2、3是实施例1所制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：先将异丙醇加入到二乙烯三胺中，搅拌均匀，再加入二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯，异丙醇、二乙烯三胺和二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的体积比为1260～2520:1～10:45～360，搅拌均匀，倒入反应釜中，200～220℃条件下，溶剂热处理24～36小时，洗涤，干燥；将得到纳米材料以1～10℃/min升温到退火温度，退火温度为425℃，退火时间为2小时，得到前驱体富氧空位二氧化钛纳米花材料。步骤2：利用步骤1所制备二氧化钛纳米花的氧空位缺陷的还原性来实现金纳米颗粒的负载，具体为：将100mg二氧化钛纳米花均匀分散在50mL去离子水中，再加入体积为0.21～0.42mL，含有2.1mg氯金酸的氯金酸溶液，然后进行水浴，水浴温度为80～100℃，反应时间为2～5小时，洗涤，干燥，得到金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种金纳米颗粒/二氧化钛纳米花复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：先将异丙醇加入到二乙烯三胺中，搅拌均匀，再加入二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯，异丙醇、二乙烯三胺和二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的体积比为1260～2520:1～10:45～360，搅拌均匀，倒入反应釜中，200～220℃条件下，溶剂热处理24～36小时，洗涤，干燥；将得到纳米材料以1～10℃/min升温到退火温度，退火温度为425℃，退火时间为2小时，得到前驱体富氧空位二氧化钛纳米花材料。步骤2：利用步骤1所制备二氧化钛纳米花的氧空位缺陷的还原性来实现金纳米颗粒的负载，具体为：将100mg二氧化钛纳米花均匀分散在50mL去离子水中，再加入体积为0.21～0.42mL，含有2.1mg氯金酸的氯金酸溶液，然后进行水浴，水浴温度为80～100...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海华，曹小华，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33