[发明专利]一种蘑菇状结构的金纳米棒-纳米氧化钛光催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种光催化材料及其制备方法和应用，该光催化材料由纳米氧化钛和金纳米棒组成，所述金纳米棒一端被纳米氧化钛包裹，未被纳米氧化钛包裹的部分完全暴露，使所述光催化材料呈蘑菇状结构。本发明提供的光催化材料中，金纳米棒与纳米氧化钛复合，增强了对可见光的吸收效率，提高了氧化钛的光催化性能；同时蘑菇状的结构增大了金纳米棒和反应物的接触面，进一步提高了催化效率。本发明提供的光催化材料的制备方法简单，反应条件温和，环境友好，有望广泛地应用到光催化、太阳能电池、光电转换等领域；将其应用在光催化水分解制备氢气中时具有较高的催化效率，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及催化材料制备技术领域，具体涉及一种光催化材料，尤其涉及一种蘑菇状结构的金纳米棒-纳米氧化钛光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

氧化钛(TiO₂)作为一种n型光催化半导体，具有价廉、稳定、无毒和环境友好等优点，已被广泛的应用于环境净化、自清洁、产氢、光化学合成、CO₂还原、有机合成和太阳能电池等多方面研究。TiO₂作为一个宽带隙半导体(Eg＝3.2eV)，只在紫外光下(≈5％)有响应，限制了其光催化应用。例如1979年Fujishima等发现TiO₂在紫外光照的条件下可用于光解水制氢，从而开创了利用半导体进行光解水的新领域。但是，由于TiO₂的禁带宽度较大，它只在紫外区有活性，而紫外光只占太阳光总能量的4％，这就极大地限制了TiO₂在光催化领域的应用。因此，对TiO₂进行改性和修饰，将其响应范围扩展到占太阳能总能量较多的可见光区，就成为十分有意义的工作。B.O'Regan等人发现通过染料敏化的方法可以将TiO₂的吸收区域扩展至可见光区，并具有良好的可见光活性(B.O'Regan,M.Gratzel,Nature1991,353,737)。S.C.Hayden等人将CdS量子点负载在TiO₂纳米管上，也取得了良好的可见光响应(S.C.Hayden,N.K.Allam,M.A.El-Sayed,J.Am.Chem.Soc.2010,132,14406)。

在光催化领域中，金纳米棒(Au NRs)是一种常用的材料，由于Au NRs的表面等离子共振效应，其在可见光区具有两个共振吸收峰，Au NRs与TiO₂复合，将弥补TiO₂在光吸收上的不足。同时Au NRs还具有电子存储功能，当TiO₂在紫外光的照射下，Au NRs可以有效的帮助TiO₂导出电子，减少光生电荷的复合；在可见光的照射下，Au NRs的局域等离子体共振效应(LSPR)可促使其激发产生热电子，跨越与TiO₂形成的肖特基势垒，注入到TiO₂上，实现光生电荷的分离；并且，Au NRs的LSPR效应还能够增强入射光局部电场的功能，这些性质均有助于TiO₂光催化性能的提高。

CN106141170A中公开了一种金纳米棒/二氧化钛核壳纳米结构及其一步法合成方法，所述纳米TiO₂完全包裹Au NRs，因此不利于Au NRs对光的吸收，也阻碍了Au NRs与周围介质了反应，限制了催化效率的提高。CN 105688900A中公开了一种光催化材料及其制备方法和应用，提供了一种纳米氧化钛包裹在金纳米棒两端，具有呈哑铃状结构的光催化材料。该光催化材料虽然具有较高的催化性能，但是金纳米棒与反应物的接触面仍然不足，影响了其催化效率。CN 106345999 A中同样公开了一种金棒两端包覆二氧化钛纳米复合材料，其金棒的暴露面过小，难以实现与反应物进一步有效的接触，限制了其催化作用。

因此，需要开发一种可以同时结合纳米TiO₂与Au NRs优势，且Au NRs与反应物接触面充足，具有更强催化性能的新型光催化材料。

发明内容