[发明专利]钛酸锶负载铜颗粒的复合光催化剂及其制备方法和装置

说明书

本发明创造提供一种新型复合光催化剂，以钛酸锶纳米颗粒为载体，铜纳米颗粒负载于钛酸锶纳米颗粒之上；其中，Cu的负载量为0.01wt％‑5wt％，Cu的颗粒尺寸为0.1‑50nm。本发明创造制备得到的新型复合光催化剂具有较高的活性。

技术领域

本发明创造属于光催化技术领域，具体涉及一种钛酸锶负载铜颗粒的复合光催化剂及其制备方法和装置。

背景技术

大多数应用于光催化的半导体为宽禁带半导体，只能利用紫外光部分，而对于可见光以及红外光是没有任何光响应的。但是，紫外光却只占到太阳光能量的5％，而可见光却占比43％。因此，开发可见光响应的光催化材料具有重要意义。目前为止，科研人员尝试了很多的方法，例如掺杂、表面处理、染料敏化等等，但是这些方法也面临着不稳定、低效率、成本高等问题。经过近些年的发展，通过铸币金属(金、银、铜)在可见光区域的吸收实现宽禁带半导体材料的可见光响应为上述问题提供了新的方法策略。然而，大多数的研究仍然是围绕着金、银贵金属展开，而铜由于其易氧化的特性而少有人关注。以往的研究表明，金属敏化半导体复合材料光催化水分解反应提供主要驱动力的是金属带间跃迁作用(从d轨道到sp轨道)，而非局域表面等离子共振(LSPR)作用。而铜的带间跃迁阈值仅为1.9eV，远远低于Au的带间跃迁阈值2.4eV，所以Cu在可见光下对于水分解反应的驱动应该更加有效。因此，通过对于铜的研究，制备铜敏化的半导体复合材料，有望同时解决光催化剂复合材料成本高及效率低两大问题。

目前，负载单质铜的半导体光催化剂面临的主要问题是铜在空气中极易被氧化，所以大多数研究者无法制备出负载单质铜的半导体催化剂，或者制备出的负载单质铜的半导体催化剂还没来得及参与光催化反应就已经被氧化了，极大的限制了铜单质在半导体光催化领域的应用；并且，对于金属敏化的光催化剂材料而言，金属纳米颗粒的尺寸效应对光催化效率起着至关重要的作用。

发明内容

本发明创造的目的在于提供一种钛酸锶负载铜颗粒的新型复合光催化剂及其制备方法和装置，采用本发明创造的方法操作简单、反应装置易于控制，制备得到的新型复合光催化剂具有较高的活性。

本发明创造首先提供了一种新型复合光催化剂，以钛酸锶纳米颗粒(SrTiO₃)为载体，铜纳米颗粒(Cu)负载于钛酸锶纳米颗粒之上；其中，Cu的负载量为0.01wt％-5wt％，优选为0.2wt％-1.0wt％，更优选为(0.5±0.1)wt％；Cu的颗粒尺寸为0.1-50nm，优选为2-10nm，更优选为(4±1)nm。

本发明创造还提供了制备上述复合光催化剂的方法，包括下述步骤：将钛酸锶纳米颗粒、水和空穴牺牲剂混合配制成第一预混液；在真空或惰性气体中、搅拌条件下，将硫酸铜溶液与第一预混液分n次进行混合，n≥1，每次混合后均使混合液在光照条件下进行光沉积反应一定时间，n次混合加入的总铜量为铜的目标负载量；反应完成后收集产物即得。

其中，所述钛酸锶纳米颗粒在第一预混液中的浓度为0.0001-0.1mol/L，所述第一预混液中水和空穴牺牲剂的体积比为(3-5)：1，所述硫酸铜溶液的浓度为0.0001-0.1mol/L。低浓度的反应液有利于光沉积反应的充分进行。

其中，所述空穴牺牲剂(hole sacrifical)的作用是消耗空穴，抑制光催化过程中电子-空穴复合，可以包括甲醇，乳酸，抗坏血酸等。

其中，n优选为2-20，优选为4-8。

其中，所述光沉积反应条件为300±10W氙灯、波长200-800nm、反应时间总长为4-8h，每次反应时间根据每次混合加入的铜的量按比例分配。例如，当某次混合加入铜的量为目标负载量的1/5时，该次混合后光沉积反应的时间也为反应时间总长的1/5。

优选的，每次混合加入的硫酸铜溶液的量相等，每次混合后光沉积反应时间相同。