一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，属于光催化材料技术领域,能够用于光催化转化。所述制备方法，包括：将两性离子短肽分散在水中，超声分散，调节溶液pH值，置于室温放置一周以上，得到短肽自组装体溶液；将含Fe

A preparation method of iron doped titanium dioxide nanomaterials

【技术实现步骤摘要】
一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法
本专利技术涉及纳米新材料
，尤其涉及二氧化钛纳米材料的制备和应用

技术介绍
随着世界人口的增长以及现代工业的快速发展，石油、煤、天然气被大量消耗，传统的化石能源面临枯竭，同时也带来日益严重的环境问题。清洁的、可持续的能源技术越来越受到人们的关注。在光、水、风、地热、生物质等所有可再生能源中，由于太阳能巨大的储量以及受地域限制较小，发展太阳能向化学能或电能的高效转化技术具有极为诱人的前景。而这些应用中的光转化效率与电荷或离子在材料表面或内部的传输密切相关，因此，可用作电子受体和能够提供电子转移的介观尺度有序半导体材料对于发展这种光能利用技术至关重要。二氧化钛具有无毒无害、高活性、廉价、耐紫外光腐蚀、耐强氧化剂以及耐酸碱等特点，是一类极具吸引力的多功能半导体材料。由于二氧化钛材料所具有的光致特性、光催化性和光亲水性，使得它在光子器件、太阳能电池和光催化等领域具有巨大的应用前景。但二氧化钛的固有禁带宽度过宽(锐钛矿相禁带宽度为3.0eV，金红石相禁带宽度为3.2eV)，使其只能被波长小于387nm的紫外光(在太阳光中占比小于5％)所激发(参见MaoY.等，《德国应用化学》，2014,53:10485)。过低的光利用率严重地限制了二氧化钛的应用。因此，想要拓展二氧化钛的应用领域，关键是扩大二氧化钛的禁带宽度。目前扩大二氧化钛的禁带宽度的方法主要有离子掺杂、表面贵金属沉积、与其它半导体复合和染料敏化等技术。其中，离子掺杂通过杂原子的引入在价带和导带之间形成中间能带，能够对能量更低的光子(可见光)产生响应，使得材料的光响应范围向长波方向移动，从而提高光利用效率(参见Shao,G.等，《物理化学C》,2009,113:6800)。但就目前的制备技术而言，要在分子水平实现特定位点离子掺杂仍然是一个挑战，因此如何实现特定位点离子掺杂以及进一步提升掺杂二氧化钛材料的性能，具有重要的现实意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，在两性离子短肽自组装体特殊的分子识别和催化矿化作用下，能够实现特定位点掺杂，从而提高二氧化钛在可见光区的响应性以及光催化活性。一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将两性离子短肽溶于水中，振荡使其溶解，调节pH，室温下静置使其自组装，得到两性离子短肽自组装溶液；2)将含有Fe3+的化合物、结构导向剂加入到两性离子短肽自组装溶液中，振荡混匀，然后加入二氧化钛前驱体，振荡混匀，室温静置一定时间，使其反应；3)将上述反应产物离心，将离心所得固体在马弗炉中煅烧，得到铁离子掺杂二氧化钛纳米材料；其中，所述两性离子短肽由5-8个氨基酸残基组成，一端含有阴离子氨基酸残基，例如天冬氨酸、谷氨酸，另一端含有阳离子氨基酸残基，例如赖氨酸、精氨酸、组氨酸，中间由疏水氨基酸残基连接，例如甘氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等，两性离子短肽在水溶液中形成规整的自组装结构，且可以通过pH值的变化调节两性离子短肽的组装体形态及组装体表面带电性质，进而可以通过同一短肽组装体模板实现金属离子沉积和二氧化钛催化矿化的双重功能。优选的，两性离子短肽溶液中肽的摩尔浓度为1-8mM，溶液pH值为7-10。可选的，根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述含有Fe3+的化合物为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁中的一种，溶液中Fe3+的浓度为0.1-5mM。可选的，所述二氧化钛前驱体为钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛中的一种，溶液中二氧化钛前驱体的摩尔浓度为1-50mM。可选的，所述结构导向剂为甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种，溶液中结构导向剂的摩尔浓度为0.01-0.1mM。优选的，二氧化钛前驱体、含Fe3+化合物、结构导向剂在两性离子短肽溶液中的反应时间为24-96小时。优选的，所述煅烧反应温度为350-500℃，煅烧时间为4-24小时。本专利技术的另一方面提供了一种如上述技术方案中任一项所述的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料制备方法所制备得到的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料。本专利技术的再一方面提供了如上述技术方案所述的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料在光催化转化中的应用，在可见光下可以实现光能向化学能的转变，并以还原能的形式储存在还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)中。本专利技术提供了一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法。通过两性离子短肽分子的设计，可获得具有催化矿化作用和分子识别功能的肽组装体，利用短肽组装体与无机离子间特殊的分子识别作用，在催化矿化二氧化钛的同时诱导铁离子沉积，获得与二氧化钛晶格匹配的特定位点掺杂的一维二氧化钛材料。与以往共混掺杂技术相比，这种通过表面识别作用引导的掺杂是一种分子级别的有序结合，在结构的控制性和可设计性方面具有显著优势，有望在提高光利用率方面取得突破性进展。通过本专利技术所提供方法制备得到的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料，禁带宽度可达到2.0eV，在可见光区的吸收显著增强。在NADH的转化过程中，不依赖于电子媒介物的存在，可见光照射2小时的转化率即可达到10％以上，说明所制备的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料具有较高的光催化转化效率，这点在以往的报告中从未见报导，具有显著的创新性和实用价值。附图说明图1为本专利技术实施例所制备得到的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的透射电子显微镜图片；图2为本专利技术实施例所制备得到的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的固体漫反射紫外-可见光谱，作为对比，未掺杂铁离子的二氧化钛纳米材料的固体漫反射紫外-可见光谱也列在了图2中；图3A为本专利技术实施例所制备得到的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的X射线光电子能谱全谱；图3B为本专利技术实施例所制备得到的铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的X射线光电子能谱Fe2p特征峰高分辨谱图；图4为本专利技术实施例所制备得到的铁离子掺杂改性的纳米二氧化钛的光催化中的应用。具体实施方式下面将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。本专利技术实施例提供了一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，包括：S1：将两性离子短肽溶于水中，振荡使其溶解，调节pH，室温下静置使其自组装，得到两性离子短肽自组装溶液；在本步骤中，我们利用两性离子短肽的自组装体作为模板来诱导和调控二氧化钛的矿化和铁离子的掺杂。两性离子短肽在合适pH值的水溶液中能够通过分子间的一系列非共价键相互作用，例如疏水作用、静电作用、氢键等形成规整排列的自组装体结构。S2：将含有Fe3+的化合物、结构导向剂加入到两性离子短肽的自组装溶液中，振荡混匀，然后加入二氧化钛前驱体，振荡混匀，室温静置一定时间，使其反应；在本步骤中，结构导向剂的引入主要是为了增加短肽模板与二氧化钛前驱体(粒子)间的相互作用，制备得到具有依附于模板结构和形态的二氧化钛纳米材料。引入Fe3+是为了改造二氧化钛的能带结构，通过Fe3+代替部分Ti4+嵌入二氧化钛晶格中，以降低二氧化钛的禁带宽度，增强所制备材料对可见光的响应性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将两性离子短肽溶于水中，振荡使其溶解，调节pH，室温下静置使其自组装，得到两性离子短肽自组装溶液；将含有Fe

【技术特征摘要】
1.一种铁离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，其特征在于，包括：将两性离子短肽溶于水中，振荡使其溶解，调节pH，室温下静置使其自组装，得到两性离子短肽自组装溶液；将含有Fe3+的化合物、结构导向剂加入到两性离子短肽的自组装溶液中，振荡混匀，然后加入二氧化钛前驱体，振荡混匀，室温静置一定时间，使其反应；将上述反应产物离心，将离心所得固体在马弗炉中煅烧，得到铁离子掺杂二氧化钛纳米材料；其中，所述两性离子短肽由5-8个氨基酸残基组成，一端含有阴离子氨基酸残基，例如天冬氨酸、谷氨酸，另一端含有阳离子氨基酸残基，例如赖氨酸、精氨酸、组氨酸，中间由疏水氨基酸残基连接，例如甘氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等，两性离子短肽在水溶液中形成规整的自组装结构，且可以通过pH值的变化调节两性离子短肽的组装体形态及组装体表面带电性质，进而可以通过同一短肽组装体模板实现金属离子沉积和二氧化钛催化矿化的双重功能。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：两性离子短肽溶液中肽的摩尔浓度为1-8mM，溶液pH值为7-10。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述含有Fe3+的化合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：王生杰，荆倩，刘方园，徐鲁艺，梁甜甜，李超祥，曹美文，夏永清，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37