[发明专利]一种在二氧化钛纳米管阵列中电化学沉积银纳米颗粒的方法

说明书

本发明涉及一种在TiO₂纳米管阵列中电化学沉积银纳米颗粒的方法，其步骤如下：a)钛片预处理：去除钛片表面油污和杂质，将钛片表面打磨光滑，抛光处理，清洗，干燥待用；b)采用阳极氧化法在钛片表面制备TiO₂纳米管阵列；c)银纳米颗粒的沉积：将步骤b)所得的表面形成有二氧化钛纳米管阵列的钛片清洗除杂，随后，将其浸没到富含Ag离子的乙二醇和水的混合液中并连接到电源的阴极，以经步骤a)处理过的钛片作阳极，在阳极和阴极之间施加电压，电化学沉积银；d)样品处理：将步骤c)制备得到的样品清洗干净，干燥，然后煅烧即得。该方法可使得纳米Ag颗粒能够沉积到纳米管当中，进而能够有效地增强银纳米颗粒的SPR效应，进一步提升TiO₂纳米管阵列的光催化性能。

技术领域

本发明涉及光催化材料合成技术领域，具体涉及一种在二氧化钛纳米管阵列中电化学沉积银纳米颗粒的方法。

背景技术

随着工业的快速发展，人类对能源的需求量日益增加。在消耗的能源中，化石燃料所占比例达到了80％。人类社会对化石能源的过度依赖同时也引发了严重的问题——温室效应。因此，为了实现社会的可持续发展，寻找清洁的替代能源以及减轻和改善温室效应便成为当今社会的首要任务。

因此，研究者们想到利用光催化还原CO₂的方法将CO₂转化为诸如甲烷(CH₄)、甲醇(CH₄O)、甲酸(HCOOH)等高价值的有机燃料。这种方法能够同时解决能源短缺和温室效应问题，具有相当广阔的应用前景。1979年，Inoue等人首次发现在TiO₂、ZnO、CdS、GaP、SiC半导体的水悬浮液中，利用光催化还原CO₂可以得到甲酸、甲醛和甲醇等产物，证明了这个方法的可行性。

到目前为止，为光催化CO₂还原反应而研究和设计的催化剂种类和数目相当之多。在众多的光催化剂当中，高度取向的TiO₂纳米管阵列是最受欢迎的催化剂之一。TiO₂这种氧化物本身具有来源广泛、无毒、价格较低、耐光腐蚀和良好的化学稳定性等优点。而高度取向的TiO₂纳米管阵列呈一维管状结构，这种结构可以成为载流子迁移的高速通道，有利于光生电子-空穴的分离，延长其寿命，从而增加光转化效率。此外，由于这种一维结构能够增加入射光的入射深度和反射次数，从而更有效地捕获入射光子。因此，在相同的光照条件下，相对于TiO₂的其它结构形式而言，具有更高的光转化效率。尽管高度取向的TiO₂纳米管阵列具有如此多的优点，但是这种结构仍然不能很好地改善TiO₂对可见光吸收能力不高的缺点。

近年来，等离子体金属材料获得了科研界广泛的关注。诸如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)等贵金属纳米颗粒具有独特的表面等离子效应(SPR)，这种效应不仅能够有效提高TiO₂对可见光的吸收能力，而且能够让金属与TiO₂界面处形成肖特基势垒，从而抑制光生电子-空穴对的复合，对于全面提升TiO₂光催化性能起到了十分积极的作用。由此，研究者们设想用等离子体金属纳米颗粒修饰TiO₂纳米管阵列来提升其光催化性能。

但是，受纳米管结构的毛细管效应所限制，金属在纳米管中沉积时很难沉积到纳米管中。一般用传统的浸渍法和光化学沉积法沉积Ag，纳米Ag颗粒只能沉积在TiO₂纳米管阵列表面而不是沉积在管中，沉积结果都十分不理想。而研究表明，Ag纳米颗粒沉积在纳米管中，在纳米管结构的协同作用下，能展现出了更强的SPR效应；另一方面，分布均匀的Ag纳米颗粒可以在纳米管中形成多SPR位点，从而，有利于光生电荷的迁移和提升样品的光吸收强度，因此，更大程度地提升了样品的光催化还原CO₂活性。所以，我们希望提供一种能让Ag纳米颗粒沉积在纳米管中的方法。

发明内容