Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法技术

本发明专利技术涉及Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法。它依次包括以下步骤：（1）平面或者曲面TiO2电极的制备：采用喷雾热解法在ITO玻璃上制备TiO2电极或者SiO2@TiO2二维光子晶体，作为基底；（2）Au纳米颗粒的沉积：利用真空蒸镀法，通过严格限定蒸发速率，一步将Au纳米颗粒沉积在基底上，即制得所述的Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极。该制备方法优化了Au纳米颗粒沉积的流程，避免后续耗能较高且影响Au纳米颗粒物性的焙烧过程，同时还能可控调节Au纳米颗粒的粒径，得到可见光吸收范围宽，吸光能力强，光电性能优异的等离子体电极。电极。电极。

【技术实现步骤摘要】
Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法
[0001]

[0002]本专利技术涉及无机光电催化用的复合电极制备
，尤其涉及一种Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法。
技术背景
[0003]光电分解水制氢由于其自身绿色、耗能低等特点得到广泛关注，其核心是开发电子空穴复合率低并能够在可见光下响应的光阳极。TiO2具有优异的物理化学性质，常常作为光电催化剂而应用于光电分解水制氢，但因其较大的禁带宽度（3.2 eV），只在紫外光下表现出较好的光电性能。众多研究表明，TiO2对可见光的利用率低，载流子复合严重的问题，可以通过表面改性修饰贵金属纳米颗粒而得到改善。
[0004]2005年，田阳和Tatsuma发现贵金属Au纳米颗粒负载到TiO2上时，由于Au纳米颗粒的局域表面等离子体（LSPR）效应吸收可见光，产生的热电子可以越过Au与TiO2的界面迁移转移到TiO2的导带上，实现空穴
‑
电子对的分离，该过程被称为等离子体诱导电荷分离（PICS）效应（Tian Y., Tatsuma T., Journal of the American Chemical Society, 2005, 127, 7632
‑
7637）。基于PICS效应，Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极可以实现可见光下光电催化分解水产氢，因而如何利用简单可行的方法将具有LSPR吸收的Au纳米颗粒均匀分散地沉积到TiO2表面也成为了研究热点。Tanaka等利用光沉积法成功将Au纳米颗粒沉积在TiO2球上（Tanaka A., Teramura K. et al, Chemical Science, 2017, 8, 2574
‑
2580），但光沉积制备的Au纳米颗粒容易团聚，重复性较差，可调控性不好。真空蒸镀法是一种简单可控的镀膜方法，但是该方法通常只能在TiO2上沉积一层致密的金属纳米薄膜，不具有LSPR吸收。例如，Alexander等利用真空蒸镀法沉积了Au纳米薄膜层，必须在550℃焙烧10h才得到Au纳米颗粒（Alexander B. T., Alexander V. et al, Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115, 24642）。江林等人也仅能通过真空蒸镀法在TiO2纳米柱上沉积连续的Au薄膜（江林，梁志强等，一种TiO2纳米柱
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Au纳米粒子复合阵列、制备方法及其应用，CN108767113B[P]），后续仍需要在300℃焙烧才能形成Au纳米颗粒。真空蒸发
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焙烧虽然可以得到Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极，但该方法需要高温焙烧，过程较为繁琐，且若在空气中焙烧可能会在纳米颗粒表面形成氧化层，同时Au纳米颗粒负载量不够高，在可见光范围内的吸收较窄，这些都会导致所制备的TiO2/Au光电性能差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法，该制备方法优化了Au纳米颗粒沉积的流程，避免后续耗能较高且影响Au纳米颗粒物性的焙烧过程，同时还能可控调节Au纳米颗粒的粒径，得到可见光吸收范围宽，吸光能力强，光电性能优异的等离子体电极。
[0006]本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：1）平面或者曲面TiO2电极的制备采用喷雾热解法在ITO玻璃上制备TiO2电极或者SiO2@TiO2二维光子晶体，作为基底；2）Au纳米颗粒的沉积利用真空蒸镀法，通过控制蒸发速率，一步将Au纳米颗粒沉积在基底上，即制得所述的Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极(记作TiO2/Au或SiO2@TiO2/Au)。
[0007]作为进一步优化，上述真空蒸镀法中蒸镀采用钨舟，Au线为蒸发源，控制蒸镀过程中的沉积速率为0.005~0.03 nm
·
s
‑1，蒸镀时间为200~2500 s，蒸镀压力为8
×
10
‑5~4
×
10
‑
4 Pa。其中的Au线，选用含金量不低于99.999%的Au线。
[0008]本专利技术中的制备方法通过调控蒸镀过程的沉积速率，在结晶前期的形成晶核和晶核成长的竞争过程中，基于结晶过程中的“多晶核、慢生长”的特性，促进了Au纳米颗粒的成核，减缓了晶粒的成长，避免了纳米颗粒在形成过程中生成大颗粒造成的大规模团聚，一步生长了晶粒粒径较小的纳米颗粒，进而也确保了生成的纳米颗粒在基底上的高分散度和高负载量，同时克服了传统真空蒸镀法只能先得到连续的Au纳米薄膜，必须经过后续高温退火过程才能得到具有LSPR吸收的Au纳米颗粒的问题。
[0009]作为进一步明确，上述平面或者曲面TiO2电极的制备中，所述平面TiO2电极是在ITO玻璃表面采用喷雾热解法而得到TiO2薄膜，即为平面TiO2电极；所述曲面TiO2电极是在平面TiO2电极表面，利用气
‑
液界面自组装方法沉积制备SiO2二维光子晶体，再采用喷雾热解法得到SiO2@TiO2二维光子晶体薄膜，即为曲面TiO2电极。
[0010]作为进一步优化，上述SiO2二维光子晶体的制备过程为向水中先加入30~50 μL、浓度为0.8~1.5 mol
·
L
‑1的十二烷基磺酸钠水溶液作为表面活性剂，再慢慢滴加SiO2小球的正丁醇分散液，在气
‑
液界面自组装一层SiO2二维光子晶体，最后将其转移到平面TiO2电极。其中，所使用的SiO2小球为St
ö
ber法合成，粒径为250~600 nm。
[0011]作为更进一步优化，上述SiO2二维光子晶体沉积以前，先将平面TiO2电极以紫外光照射15~30 min以获得亲水表面。
[0012]作为进一步优化，上述喷雾热解法中控制氮气喷雾压力0.10~0.15 MPa，单次喷涂时间1 s，60 s后进行下一次喷涂，喷涂次数2~5次，焙烧温度为480~550 o
C，焙烧时间为30~60 min，。
[0013]作为进一步优化，在采用喷雾热解法制备平面TiO2电极的过程中，使用的前驱液采用体积比为4~5:1的异丙醇和二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的混合溶液。
[0014]作为进一步优化，上述ITO玻璃在使用前先分别使用超纯水和无水乙醇超声清洗10~20 min进行预处理。
[0015]最为具体地，一种Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：1）平面TiO2电极的制备：将分别用超纯水和无水乙醇超声处理10 min的ITO玻璃作为基底，使用体积比为4
～5:1的异丙醇和二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的混合溶液为前驱液，控制氮气喷雾压力为0.12 MPa，在ITO玻璃表面喷涂1 s后间隔60 s，再本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：1）平面或者曲面TiO2电极的制备采用喷雾热解法在ITO玻璃上制备TiO2电极或者SiO2@TiO2二维光子晶体，作为基底；2）Au纳米颗粒的沉积利用真空蒸镀法，通过控制蒸发速率，一步将Au纳米颗粒沉积在基底上。2.如权利要求1所述的Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法，其特征在于：所述真空蒸镀法中蒸镀采用钨舟，Au线为蒸发源，控制蒸镀过程中的沉积速率为0.005~0.03 nm
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s
‑1，蒸镀时间为200~2500 s，蒸镀压力为8
×
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‑5~4
×
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4 Pa。3.如权利要求1或2所述的Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法，其特征在于：所述平面或者曲面TiO2电极的制备中，所述平面TiO2电极是在ITO玻璃表面采用喷雾热解法而得到TiO2薄膜；所述曲面TiO2电极是在平面TiO2电极表面，利用气
‑
液界面自组装方法沉积制备SiO2二维光子晶体，再采用喷雾热解法得到SiO2@TiO2二维光子晶体薄膜。4.如权利要求3所述的Au纳米颗粒修饰的TiO2等离子体复合电极的制备方法，其特征在于：所述SiO2二维光子晶体的制备过程为向水中先加入30~50 μL、浓度为0.8~1.5 mol
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L
‑1的十二烷基磺酸钠水溶液作为表面活性剂，再慢慢滴加SiO2小球的正丁醇分散液，在气
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液界面自组装一层SiO2二维光子晶体，最后将其转移到平面TiO2电极；其中，所使用的SiO2小球为St
ö
ber法合成，粒径为250~600 nm。5.如权利要求3或4所述的Au...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玲，刘栩，朱梓玲，颜家保，李静，俞丹青，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：