[发明专利]一种金属/半导体复合光催化剂及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种金属/半导体复合光催化剂及其制备与应用，以二氧化硅为载体，通过溶胶凝胶法，制备得到二氧化硅@二氧化钛核壳结构（SiO₂@TiO₂），对其进行表面正电化之后，与表面负电性的金属铂纳米粒子进行库仑力自组装，得到铂纳米粒子在SiO₂@TiO₂表面上均匀分布的金属/半导体复合光催化剂SiO₂@TiO₂/Pt‑SA。本发明方法通过优化铂纳米粒子在SiO₂@TiO₂表面的空间分布情况，可以有效提高SiO₂@TiO₂/Pt‑SA对于可见光的吸收性能及其在紫外‑可见光光照下的光催化分解水产氢反应中的活性与稳定性，该方法简单有效易行，有利于构筑具有宽光谱响应、可用于太阳能转化的高效金属/半导体复合光催化材料。

技术领域

本发明属于光催化材料领域，具体涉及一种金属/半导体复合光催化剂及其制备与应用。

背景技术

光催化技术为利用太阳能缓解日益凸显的能源危机提供了一条可能的绿色途径，将太阳能转化为氢能已经得到越来越多的研究关注。在常用的光催化剂中，二氧化钛（TiO₂）因其具有化学稳定、廉价易得等优点，成为目前研究最为广泛的半导体光催化剂之一。但是，由于TiO₂较宽的禁带宽度（3.2 eV）以及电子和空穴的高复合率，其不能吸收利用可见光，且单独的TiO₂光催化活性较低。如何改善TiO₂的光吸收性能及其光催化活性一直是光催化材料研究方面的热点之一。

在已提出的改善TiO₂性能的策略中，与金属组分复合是一种有效的方法，其不仅可以在一定程度上拓展TiO₂的光吸收范围，还可以作为电子接收体，促进TiO₂中电子-空穴对的分离。其中，金属Pt不仅具有宽波段的光学响应、高的功函数（5.65eV），而且对于产氢反应具有较低的反应过电位，因此常被用作助催化剂，提高半导体材料的光催化分解水产氢性能。目前常用的金属Pt与半导体TiO₂的复合方法，是将金属Pt简单负载或沉积于TiO₂表面，通过以上方法得到的复合材料，在液相反应中，金属组分Pt存在易浸出流失的问题，从而导致复合材料的稳定性不高。如将Pt纳米粒子包裹于半导体组分内部，则会遮挡其表面的产氢反应活性位点，导致无法利用其较低的产氢过电位之优势。因此，开发具有宽光谱响应、高光催化分解水产氢活性以及良好稳定性的金属Pt-半导体TiO₂复合材料，对于构建高效稳定的光催化分解水产氢体系具有重要的科学研究意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种属/半导体复合光催化剂及其制备与应用，旨在通过优化微观结构提高金属Pt/半导体TiO₂复合光催化材料在分解水产氢反应中的活性和稳定性的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属/半导体复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将SiO₂纳米球与乙醇溶液混合，超声分散均匀，再加入钛酸正丁酯，搅拌15-25min，得到混合溶液；

其中，SiO₂纳米球与钛酸正丁酯的用量比为0.1g : 0.08-0.12 mL；

（2）将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解于乙醇-去离子水混合溶液中，搅拌均匀，所得溶液加入到上述混合溶液中，搅拌1-1.5h，离心，将沉淀洗涤、烘干，得到SiO₂@TiO₂复合材料；

其中，聚乙烯吡咯烷酮与SiO₂纳米球的用量比为0.28-0.32 g : 0.1 g；