[发明专利]蒲公英状核壳结构Au@ZnO异质结光催化剂的制备方法有效
申请号: | 201310400997.5 | 申请日: | 2013-09-05 |
公开(公告)号: | CN103480373A | 公开(公告)日: | 2014-01-01 |
发明(设计)人: | 秦瑶;杨金虎;金超;李影;李杰;时东陆 | 申请(专利权)人: | 同济大学 |
主分类号: | B01J23/60 | 分类号: | B01J23/60;B01J35/10;B82Y40/00;B82Y30/00 |
代理公司: | 上海科盛知识产权代理有限公司 31225 | 代理人: | 林君如 |
地址: | 200092 *** | 国省代码: | 上海;31 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 蒲公英 状核壳 结构 au zno 异质结 光催化剂 制备 方法 | ||
技术领域
本发明涉及金属-半导体复合材料制备领域,尤其是涉及一种蒲公英状核壳结构Au@ZnO异质结光催化剂的制备方法。
背景技术
作为一类典型的金属-半导体复合材料,Au@ZnO异质结因其特殊的光学、光电性能及在太阳能转化、生物检测、化学传感等领域的潜在应用而成为最近的研究热点之一。目前多数合成Au@ZnO异质结的工作是在ZnO结构上进行Au纳米粒子的沉积或者生长,反之以金纳米颗粒为核,生长ZnO得到Au@ZnO高级核壳结构的工作却少见报道。这可能由于氧化物更具有亲水的特性,更容易在水相中自成核沉积,而不容易在金属表面异相成核析出;再者,Au的晶格结构与ZnO差别较大,这更进一步加大了ZnO在Au上沉积生长的难度。目前,只有国外K.K.Haldar等制备了结构清晰可辨的壳包核Au@ZnO异质结构颗粒。但该工作得到的为简单核壳结构,外壳及内核部分再没有次级基元结构。但从理论上讲,高级核壳结构非常有利于提高Au@ZnO异质结的光电性能,进而提高其作为光催化剂时的催化效率:一方面这种高级结构将次级基元纳米粒子集成组装到内核或者壳层上,使纳米粒子按一定顺序固定排布,有效抑制了颗粒之间的聚集,使纳米催化剂粒子发挥催化活性的同时保持了催化剂的稳定性,甚至在一定程度上还能体现出纳米粒子有序组装时产生的协同效应;另一方面,Au与ZnO纳米基元分别在内核与壳层上分布的结构有利于光生电子和空穴的有效分离,从而提高光催化反应的效率。
申请号为200810063999.9的中国专利公开了一种核-壳型TiO2/ZnO光催化剂的制备方法及应用,将醋酸锌水合物溶于聚乙烯醇溶液中,干燥后梯级加热再冷却至室温,将钛酸四丁酯、无水乙醇、三乙醇胺混合陈化,加入上述步骤的产物后干燥热处理,制备得到核-壳型TiO2/ZnO光催化剂,可以涂覆于交联乙烯、层状钙钛矿、熔盐结晶水和盐等材料上作为蓄能材料。但是该方法制备得到的核壳状结构仍然为宽能带半导体复合材料,应用时光生载流子不能有效分离,且吸收光的能力有限,故效率比较低,另外比表面积较小,利用率不高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备“金属-宽能带半导体”的核壳复合结构材料—蒲公英状核壳结构Au@ZnO异质结光催化剂材料—的制备方法;该材料具有高级结构,即,将初级基元纳米粒子集成组装到内核或者壳层上,使纳米粒子按一定顺序固定排布。这有效抑制了纳米颗粒之间的聚集,使纳米催化剂粒子发挥催化活性的同时保持了催化剂的稳定性;同时由于该材料的组分为金属和半导体,二者能在接界处形成费米能级平衡导致的内建电场,有利于光生载流子分离,而且Au的复合有利于提高ZnO半导体的光吸收能力,从而有利于材料光电性能的提升。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
蒲公英状核壳结构Au@ZnO异质结光催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)用柠檬酸钠还原氯金酸的方法制备得到Au纳米颗粒,对纳米颗粒进行表面修饰后,作为初级反应种子;
(2)在步骤(1)中得到的初级反应种子上面继续生长ZnO纳米种子颗粒,得到Au@ZnO核壳结构,作为次级复合种子;
(3)在步骤(2)得到的Au@ZnO种子的外延继续生长发散状ZnO纳米棒,得到蒲公英状核壳Au@ZnO异质结光催化剂。
步骤(1)制备得到的Au纳米颗粒的粒径为15-25nm。
所述的Au纳米颗粒分散在水中得到分散液,然后进行表面修饰,分散液的浓度为2-5mgAu纳米颗粒/10ml水。
利用巯基丙酸对分散液中的Au纳米颗粒进行表面修饰,向分散液中滴加巯基丙酸,滴加量为120-150μl巯基丙酸/10ml分散液,然后混合搅拌12h,在离心分散到乙醇中,得到初级反应种子。
步骤(2)利用Zn(Ac)2、KOH乙醇溶液在初级反应种子上生长ZnO纳米颗粒,控制初级反应种子、Zn(Ac)2、KOH的比例为20ml∶0.2-1mmol∶0.3-1.5mmol,控制反应温度为60℃,油浴反应2h,然后离心,用去离子水清洗得到的Au@ZnO核壳结构的次级复合种子,分散到去离子水中。
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