[发明专利]一种光催化材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，涉及一种光催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

氧化钛作为一种n型光催化半导体，具有价廉、稳定、无毒和环境友好等优点，已被广泛的应用于环境净化、自清洁、产氢、光化学合成、CO₂还原、有机合成和太阳能电池等多方面研究。氧化钛作为一个宽带隙半导体(Eg＝3.2ev)，只在紫外光下(≈5％)有响应，限制了其光催化应用。例如1972年Fujishima等发现TiO₂在紫外光照的条件下可用于光解水制氢，从而开创了利用半导体进行进行光解水的新领域。但是，由于TiO₂的禁带宽度较大，它只在紫外区有活性，而紫外光只占太阳光总能量的4％，这就及大地限制了TiO₂在光催化领域的应用。因此，对TiO₂进行改性和修饰，将其响应范围扩展到占太阳能总能量较多的可见光和紫外光区，就成为十分有意义的工作。J.Ryu,S.H.Lee等人[J.Ryu,S.H.Lee,D.H.Nam,C.B.Park,Adv.Mater.2011,23,1883]用多种量子点负载在TiO₂的纳米管阵列上，并研究了不同量子点对促进TiO₂可见光活性的作用。B.O'Regan等发现[B.O'Regan,M.Gratzel,Nature1991,353,737]通过染料敏化的方法可以将TiO₂的吸收区域扩展至可见光区，并具有良好的可见光活性。S.C.Hayden等人[S.C.Hayden,N.K.Allam,M.A.El-Sayed,J.Am.Chem.Soc.2010,132,14406]将CdS量子点负载在TiO₂纳米棒上，也取得了良好的可见光响应。

在光催化领域中，金纳米棒是一种常用的半导体材料，在可见光区具有两个共振吸收峰，与氧化钛复合，将弥补氧化钛在光吸收上的不足。例如CN104001506A公开了一种醇类光氧化催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂为二氧化钛包覆的金纳米棒空心壳核结构，首先合成金纳米棒，在金纳米棒外面包覆二氧化硅，再包覆一层不定形的二氧化钛，在最外层再包覆一层二氧化硅，然后进行焙烧和氢氧化钠水溶液蚀刻，以形成催化剂。该催化剂在金纳米棒外包覆二氧化硅而后包覆一层不定形的二氧化钛，在最外层再包覆一层二氧化硅，该催化剂中金纳米棒与氧化钛接触面不足，不利于电子的转移。

因此，在本领域中，需要开发一种更加高效的纳米氧化钛-金纳米棒光催化剂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光催化材料及其制备方法和应用。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种光催化材料，所述光催化材料由纳米氧化钛包裹金纳米棒形成核壳结构，所述纳米氧化钛通过与金纳米棒表面修饰分子形成化学连接而包裹于金纳米棒表面。

优选地，所述金纳米棒表面修饰分子为含巯基和羧基的有机分子，优选半胱氨酸和/或还原型谷胱甘肽。

本发明所述光催化材料的核壳结构中，纳米氧化钛通过与金纳米棒表面修饰分子形成化学连接而包裹于金纳米棒表面，使得结构稳定，光谱响应范围宽，并且金纳米棒与纳米氧化钛充分接触，有利于电子的转移。

另一方面，本发明提供了如第一方面所述的光催化材料的制备方法，所述方法为采用含巯基和羧基的有机分子对金纳米棒整个表面进行修饰，在修饰过的金纳米棒溶液中制备纳米氧化钛，金纳米棒表面修饰分子基团与纳米氧化钛表面基团进行相互作用，从而得到所述光催化材料。

所述相互作用是指通过金纳米棒表面修饰分子的羧基与氧化钛表面羟基相互作用，使得发生化学连接，从而将纳米氧化钛与金纳米棒连接在一起。

优选地，所述方法包括以下步骤：

(1)对金纳米棒原液进行预处理得到金纳米棒样品，向金纳米棒样品中加入表面活性剂溶液对金纳米棒进行活化处理；

(2)向步骤(1)处理后的金纳米棒中加入含巯基和羧基的修饰分子溶液，反应得到整个表面修饰的金纳米棒；

(3)向步骤(2)得到的整个表面修饰的金纳米棒溶液中加入钛源的醇溶液，反应得到所述光催化材料。