[发明专利]纳米铜‑氟掺杂二氧化锡光催化剂及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料和新型光催化技术领域，具体涉及一种金属半导体光催化剂，本发明还涉及上述纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂的制备方法，尤其涉及多种不同相貌纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

自1972年日本科学家Fujishima和Honda在《Nature》杂志上首次报道TiO₂光阳极在紫外光照射下，可将水分解成氢气的实验后，光催化分解水引起了人们的广泛关注。近十年来，国内外的研究都聚焦在半导体光催化剂的研制与开发上，但这些半导体光催化剂材料如TiO₂普遍存在光响应范围窄、光生电子‐空穴对易复合等诸多问题，导致光催化效率较低，在很大程度上限制了光催化技术的工业化应用。

寻找一种有较高催化活性、稳定、低廉的物质作为光催化剂是解决问题的根本途径。大量实验表明，一些金属如金、银纳米材料可以直接用来作为光催化剂催化水分解产生氢气。在光的照射下这些金属纳米粒子所产生的表面等离子体共振(SPR)可以加强光的吸收，增强局域电场，有效地促进光生电子和空穴对分离。铜纳米粒子在可见光照射下也能产生表面等离子体共振且无毒，价格低廉。与Au，Ag纳米粒子相比，Cu纳米粒子的局域表面等离子体共振波长更长，吸收峰更窄，强度更强，是一种极具开发前景的绿色环保催化剂之一。金属纳米颗粒的表面等离子体共振严重受到其材质、尺寸、形状等影响。因此，利用简单的方法，制备出形貌可控的纳米Cu具有重要意义。

目前，在现有的公开文献报道中，制备铜纳米粒子时多使用表面活性剂作为结构导向剂，表面活性剂会增加制备成本，同时其会附着在样品表面，难以清洗，影响产品性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种不使用表面活性剂的纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂的制备方法，该方法成本低、操作简单、多种形貌可控。本发明在制备片状、立方体、球状、枝晶状纳米材料时均未使用表面活性剂，即可制备出形貌可控的铜纳米材料。

本发明的另一目的是提供上述方法制备的多种不同相貌的纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂，具有较好的光催化剂性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氟掺杂二氧化锡透明的FTO导电玻璃放在丙酮、无水乙醇、去离子水中依次超声处理5～30min，并烘干；

(2)以含铜化合物和氯化钾溶液作为电解液，以铂电极为对电极，以银‐氯化银为参比电极，以步骤(1)处理后的FTO导电玻璃为工作电极，电源为交流电源，电解过程电压控制为‐0.1v～‐1v，温度为20～30℃，在电解池中进行电化学沉积的时间为100～1800s；

(3)从电解池中取出工作电极的FTO导电玻璃，洗涤，干燥，即制得形貌分别为片状、立方体、球状或枝晶状的纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述含铜化合物和氯化钾溶液的浓度范围分别为0.005～0.024mol/l和0.01～0.3mol/l。

优选地，所述含铜化合物为硝酸铜、五水硫酸铜和氯化铜中的一种。

优选地，所述硫酸铜浓度为0.01mol/l，氯化钾浓度为0.1mol/l。

优选地，所述洗涤是用蒸馏水洗涤。

优选地，所述干燥是并用氮气吹干。

一种纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂，由上述制备方法制得。

本发明还提供上述方法制备的多种不同形貌纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂在光催化分解水中的应用。

具体地，将形貌分别为片状、立方体、球形、枝晶状的纳米铜‐氟掺杂二氧化锡光催化剂置于160ml反应容器中，然后分别加入去离子水溶液80ml、乳酸5‐20ml，用循环水来控制反应池温度，防止光照过程中温度过高，影响反应进行。用石英盖密封后，将整个体系抽真空。最后在300W的Xe灯光可见光照射1h后取样测试，每个样品反应时间为6h。

本发明制备的催化剂是铜纳米粒子在给定电压下直接沉积在FTO导电玻璃上，即固定在玻璃上，同时加上铜纳米颗粒在可见光照射下具有表面等离子体共振效应产生电子，这些电子被溶液中H⁺夺取而产生氢气，从而解决了现有技术不同方法制备的催化剂易团聚，难分离且光响应范围小的光催化问题。