[发明专利]一种金属氧化物/Pt/C三层纳米结构空心球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米空心球及其制备方法，尤其涉及一种金属氧化物/Pt/C三层纳米结构空心球及其制备方法。

背景技术

光催化分解水制氢是太阳能光化学转化的最好途径，因为氢能作为二次能源具有清洁、安全、高效等其它能源无法比拟的优点。气候变化、燃料电池技术以及日益突出的环境问题推动了“氢能经济”的产生，用氢气取代或部分取代现有的能源供应将成为人类努力的方向。目前，化石燃料制氢是工业上的主要途径，全世界有95%以上的氢气是由化石燃料制造的。虽然化石资源制氢现有工艺成熟，生产成本也较低，但资源有限且不可再生，在获得氢的同时，向大气中排放大量的温室气体二氧化碳，以化石资源制氢将面临资源短缺和环境恶化的双重问题。从长远观点看，这不符合可持续发展的需要。因此，利用可再生能源从非化石燃料中制氢，包括生物制氢，太阳能光催化分解制氢和可再生能源发电电解水制氢，是解决国家能源安全和环境问题的有效途径之一，其中利用太阳能光催化分解水制氢，近年来已引起世界各国的广泛重视。

在半导体材料光催化体系内，实现光生电子-空穴的有效分离是将光催化应用于能源和环境问题的必经途径。常见的单一化合物光催化剂为金属氧化物或硫化物半导体材料。如TiO₂、WO₃等。它们都已经在光催化领域有很广泛的应用。不过他们也有本征的不完美之处，单一半导体材料因为内部缺陷和本征复合的缘故，使得光生电子空穴在产生后，有接近90%的光生电子空穴直接在半导体内部和表面配对复合，而不是与水和污染物作用。这样就导致了绝大多数的光生电子空穴的浪费，大大限制了对太阳能的利用。因此，促使光生电子与空穴的分离，抑制其复合，从而提高量子效率，以便充分利用太阳能，提高光催化剂的稳定性是现代光催化领域的核心问题。目前，有数种常用的半导体光催化剂的改性技术，主要包括贵金属修饰、过渡金属离子掺杂和半导体光催化剂的复合等。贵金属修饰具有光催化效率高、增加对可见光的吸收而普遍受到人们的关注。

此外，金属氧化物和无定形碳结合，不仅能够增加对可见光的吸收，而且能够有效的转移电子，有利光生电子空穴对的分离，从而提高复合材料的光催化效率。

综上，如果我们能够设计出金属氧化物半导体/贵金属/无定形碳的复合结构，必定会提高材料的光催化效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种比表面积大、制备工艺简单的金属氧化物/Pt/C三层纳米结构空心球及其制备方法。

本发明的金属氧化物/Pt/C三层纳米结构空心球，其特征在于该空心球的结构从内向外依次为金属氧化物层、贵金属铂（Pt）颗粒层和无定型碳（C）层，金属氧化物层与Pt颗粒层形成异质结，金属氧化物层厚度在7~50纳米之间，铂颗粒的粒径在5~8纳米，无定形碳层的厚度在10~15纳米，空心球直径为100～600纳米。

上述技术方案中，所述的金属氧化物选自Al、B、Bi、Ba、Ca、Co、Cr、Ce、Cu、La、Ni、Fe、Zn、Sn、Rh、W、Nb、Ta、Ti、V、Hf、Mn、In、Li、Ge、Se、Zr、Mg、Ga或Si的氧化物。

制备上述的金属氧化物/Pt/C三层纳米结构空心球的方法，包括如下步骤：

1）配置吸附溶液：将氧化物金属盐溶于溶剂中，配置成金属离子浓度为0.01～1M的氧化物金属盐溶液，所述的金属盐选自Al、B、Bi、Ba、Ca、Co、Cr、Ce、Cu、La、Ni、Fe、Zn、Sn、Rh、W、Ta、Ti、V、Hf、Mn、In、Li、Ge、Se、Zr、Mg、Ga、Si的醋酸盐、氯化盐、硝酸盐、硫酸盐或酯盐，所述的溶剂为去离子水、乙醇、甲酰胺或乙二醇；

2）吸附金属离子：将表面具有羧基和羟基的球状模板浸入步骤1）的吸附溶液中，使球状模板含量为1g/L~10g/L，超声使球状模板充分分散，搅拌吸附4~48h后离心或抽滤，获得吸附后的球状模板，置于60～100℃，干燥6～48h；所述的球状模板为碳球、PS球或SiO₂球；

3）去除模板：将步骤2）中干燥后的碳球或PS球在300～800℃下热处理3～60h去除碳球模板或PS球模板获得金属氧化物空心球；或者将步骤2）中干燥后的SiO₂球在300～800℃下热处理3～60h后，再在60～100℃下浸入浓度为1～20M的NaOH溶液中保持0.5～24h，去除SiO₂球模板获得金属氧化物空心球；