[发明专利]一种Si@TiO2异质结纳米复合材料的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于光催化材料领域，具体涉及一种SiTiO₂异质结纳米复合材料的制备方法。

背景技术

环境污染和能源短缺是当前人类面临的重大挑战，也是我国实施可持续发展战略必须优先考虑的重大课题。光催化过程可将取之不尽的低密度太阳光能转换为高密度的化学能和电能，同时还可以直接利用太阳光与光催化材料作用所发生的物理化学变化降解和矿化水和空气中的绝大部分污染物，因而光催化在环境净化和新能源开发等方面显示出巨大的潜力。在过去不到40年的时间里, 人们在光催化材料开发与应用方面的研究取得了丰硕的成果。

TiO₂半导体化合物由于其较好的稳定性而在光电转换及光催化等领域中引起人们的广泛关注。其主要的光催化原理为：TiO₂半导体在一定能量的光照下，获得能量的价带电子可跃迁至导带上，在价带上产生空穴而形成电子-空穴对，光生电子和空穴可分别和吸附在催化剂表面的氧气和水中的OH^-离子发生反应形成具有氧化作用的过/超氧根离子以及羟基自由基。尽管TiO₂光催化材料在降解有机污染物中表现出巨大的潜力，但是其较宽的禁带宽度（Eg=3.0-3.2 eV）决定了TiO₂光催化材料只能在紫外光的照射下发生上述光催化过程，这部分光能在太阳能中仅占到总能量的3~4%，而太阳光中的可见光能量占到了总能量的40%之多。同时，光生电子-空穴在催化剂内的复合，也是导致TiO₂光催化效率较低的重要原因。

相比其它半导体材料，硅（Eg=1.12 eV）可大量的利用太阳光中的可见光光子能量，然而较窄的禁带宽度导致了其仍存在光生电子-空穴极易发生复合而使得光电转换效率降低的问题。最早在1976年，Mirisaki 等人(APPLIED PHYSICS LETTERS 1976年第29卷第6期第338页)在p-Si和n-Si组成的太阳能电极上，用CVD的方法在Si电极上沉积了一层TiO₂薄膜，增大了电极的光生电压，提高了光解水的效率。加州大学伯克利分校的杨培东等（NANO LETTER 2009年第 9卷第410页）报道了采用原子层沉积（ALD）技术制备高密度共轴Si/TiO₂核-壳纳米线阵列。研究发现Si/TiO₂异质结构的构建可弥补TiO₂光吸收范围小的缺点，且在异质结上发生的能带弯曲效应可提高电子-空穴的分离能力，进一步提高光催化性能。他们还发现Si/TiO₂界面的产生可减少光生空穴的损失因而进一步提高光阳极电流，这一点在光电催化降解有机污染物或分解水制氢能领域上有着重要的意义和价值。

发明内容

解决的技术问题：本发明针对现有技术中提及的Si/TiO₂界面材料的优点，提供一种SiTiO₂异质结纳米复合材料的制备方法，投入低，具有较高的经济价值。

技术方案：

本发明提出的SiTiO₂异质结纳米复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）、SiO₂微球的制备

用St?ber 法来制备SiO2微球见参考文献（St?ber W,Fink A.Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range[J]．J Colloid Interf Sci，1968，26：62）。

具体方法为：量取74 ml乙醇置于200 ml烧杯中，然后加入10ml H₂O，最后滴加3.15 ml氨水。将混合溶液在常温下搅拌15 min使之充分混合均匀。量取6 ml TEOS滴加如上述混合溶液中，常温下搅拌4 h。搅拌结束后，静置分层，除去上层清液。用去离子水和乙醇反复离心清洗白色沉淀物，60℃真空干燥。2）、Mg热还原SiO₂制备Si粉