[发明专利]一种碳60/二氧化钛纳米复合光催化剂及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明公开了一种具有可见光响应的碳60/二氧化钛纳米复合光催化剂及其制备方法和用途，属于纳米光催化剂的制备及应用技术领域。

背景技术

能源和环境问题是困扰全人类的重大问题。而氢能是一种储量丰富、无污染的新型能源。目前，氢气的制备方法主要有电解水制氢、甲烷水蒸汽重整制氢、焦炭制水煤气、生物制氢以及光催化制氢等。其中光催化制氢是一种新兴的能源转换技术。它主要是利用半导体光催化剂在紫外或可见光的激发下产生电子-空穴对，这些电子-空穴对具有极强的还原和氧化能力，可直接将水分解为氢气和氧气。因此，随着光催化技术的发展，有效地利用太阳光直接从水或其有关溶液中获得清洁能源-氢能被认为是一个高风险、高回报的重要研究课题。

光催化制氢的广泛和有效应用，取决于光催化剂的催化效率和对可见光的利用效率。目前，二氧化钛(TiO₂)因其化学性质稳定、耐光腐蚀、价廉、无毒等优点一直受到人们的高度关注。然而，TiO₂的禁带较宽(3.2eV)，只能吸收紫外光(<387nm)。该光能(300～400nm)仅占到达地面的太阳光能的4％，太阳能利用率很低。所以，TiO₂的敏化是一个具有理论意义和应用前景的课题。目前，针对宽带隙半导体的敏化主要有有机染料敏化、与窄带隙半导体复合、金属离子/非金属离子掺杂等。

C60及富勒烯化合物的研究是当前国际上十分活跃的研究领域。自1990年实现C60常规量制备以来，它在各个学科领域都引起了化学家们的极大兴趣。C60独特的分子结构决定其缺电子性。在电子转移反应中，C60一般作为电子受体。曾有C60与胺类电子给体之间的直接光诱导电子转移反应的研究报道[J Am Chem Soc，1992，114(6)：2277-2279]。此外，C60能吸收可见光，可作为敏化剂用于扩展宽带隙半导体的光谱吸收范围。

经文献调研发现，关于富勒烯-二氧化钛，尤其是碳60/二氧化钛(即C60/TiO₂)纳米复合光催化剂的制备方法及其应用，目前只有Kamat等[J.Phys.Chem.B1997，101，4422-4427；J.Phys.Chem.1994，98，9137-9142]曾报道过一种碳60/二氧化钛纳米复合材料的制备方法，该方法是将碳60分散于苯或者甲苯溶液中，然后向其加入二氧化钛粉体，搅拌并将溶剂蒸干后得到复合材料。但是这种方法大量使用有毒的原料，并且合成过程中碳60和二氧化钛只是简单的混合，两者没有形成化学键合，不利于光催化过程中电子的快速传递，从而影响其光催化效果。但至今还没有其它能使上述问题得到改善的，与C60/TiO₂纳米复合光催化剂及其制备方法和可见光条件下光催化制氢应用相关的报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的C60/TiO₂纳米复合光催化剂的制备方法中存在的问题，提供一种C60和TiO₂纳米粒子之间结合较强、有着较高的可见光催化制氢效率的C60/TiO₂纳米复合光催化剂及其制备方法和用途。该方法操作简便，成本低，制得的C60/TiO₂纳米复合光催化剂具有较高的热稳定性和优异的可见光光催化产氢活性，能用于在波长大于420nm的可见光照射下和电子牺牲试剂存在下，光催化制氢。

本发明提供的碳60/二氧化钛纳米复合光催化剂中C60的复合比例以质量百分比计在0.75～12wt％之间，其余为二氧化钛，二氧化钛粉体为微球状颗粒，锐钛矿相结构，粒径分布在20～75nm之间，复合光催化剂在波长为400-800nm的可见光区均有吸收。

本发明还提供了制备该碳60/二氧化钛纳米复合光催化剂的方法，其具体步骤如下：

1)按权利要求1中的复合比例取C60，并将C60加入重量百分比浓度为5～15wt％的稀硝酸煮沸至使其官能化，离心分离，60～80℃烘干得处理后的C60；2)将Ti(SO₄)₂溶于水得质量百分比浓度为15～25％的Ti(SO₄)₂溶液，加入处理后的C60，剧烈搅拌使两者充分混合，然后再加入十六烷基三甲基溴化铵，即CTAB溶液，混合溶液中以摩尔比计Ti(SO₄)₂:CTAB:H₂O＝1:0.10～0.14:100～120；