[发明专利]氮化钛/氮化镓异质结构材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种制备氮化钛/氮化镓异质结构材料的方法。本发明还提供一种本发明的方法制备的氮化钛/氮化镓异质结构材料，其中，所述氮化钛/氮化镓异质结构材料的形状为一维多孔纳米棒状，并且所述一维多孔纳米棒的长径比为1.5:1‑20:1。本发明还提供本发明的氮化钛/氮化镓异质结构材料或者根据本发明的方法制备的氮化钛/氮化镓异质结构材料在光催化领域中的应用。本发明的氮化钛/氮化镓异质结构材料宏观上为一维多孔纳米棒，具有高的比表面积，并且表面等离激元氮化钛材料与半导体氮化镓材料复合有助于增强光吸收和光生电荷分离，可以应用于光催化领域如光催化分解水领域、光催化降解领域或者光催化还原领域。

技术领域

本发明属于材料领域。具体地，本发明涉及氮化钛/氮化镓异质结构材料及其制备方法和应用。

背景技术

氮化钛(TiN)是一种典型的过渡金属氮化物，具有耐高温、化学性质稳定、高硬度、高熔点等特性，在工业界得到了广泛应用。氮化钛中Ti原子的d轨道和N原子的p轨道发生强烈的杂化，在费米能级位置出现连续的电子态密度分布，晶格中的Ti-N键既具类似金属键，又具有共价键和离子键的性质，因此氮化钛呈现金属性质，具有表面等离激元性质。目前，在表面等离激元催化领域的研究，大多关注在贵金属金和银。氮化钛作为更廉价、元素含量更丰富的非贵金属材料，具有强大潜力。氮化钛在可见光区域，具有与金、银可比拟的等离激元特性，并且化学性质稳定、功函数可随化学计量比调节，具有重要的研究意义。

表面等离激元非辐射衰减产生的热电子寿命较短，为了有效提高热电子利用率进而提高光催化效率，常将等离激元金属与半导体材料进行复合。氮化镓(GaN)是第三代半导体的代表，室温下具有3.4eV超宽直接带隙，高电子迁移率和导热导电性能，使其在电子器件方面得到了广泛应用。氮化镓也是一种传统的半导体光催化材料，但超宽带隙限制了其对太阳光的利用范围。将氮化钛与氮化镓复合，氮化钛位于可见及近红外区域的等离激元共振可以有效提高材料的光吸收能力。二者之间接触形成的金属-半导体欧姆接触，也有利于氮化钛等离激元诱导产生热电子的快速转移。

在氮化镓基光电器件中，常通过磁控溅射等方法制备氮化钛/氮化镓异质结构材料来提高光电器件效率。但是，现有技术中的方法制得的氮化钛/氮化镓异质结构材料是层状结构的氮化钛/氮化镓异质结构材料，层状结构的氮化钛无法直接被光照激发表面等离激元。而此方法制备得到的是氮化钛纳米颗粒，可以直接被特定波长(可见及近红外区域)光激发局域表面等离激元效应，从而有效提高材料在可见光及近红外区域的光吸收效率；并且氮化钛局域表面等离激元效应也可增强氮化镓半导体自身在紫外光区域的光吸收效率，从而提高整个光谱范围的光吸收强度，有利于光催化反应。氮化钛局域表面等离激元衰减产生热电子，也提供了热电子产生的另一种途径且具有较高的产生效率和能量，有利于太阳能向化学能转换效率的提高。且整体一维纳米形貌有助于减少光生载流子的扩散距离，可以有效增加光生载流子的利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化钛/氮化镓异质结构材料，该材料具有高的比表面积，并且有助于增强光吸收和光生电荷分离，可以应用于光催化领域。本发明的目的还在于提供一种制备本发明的氮化钛/氮化镓异质结构材料的方法，该方法简单易操作。本发明的目的还在于提供一种本发明的氮化钛/氮化镓异质结构材料在光催化领域中的应用。

在本发明的上下文中，术语“长径比”是经过颗粒内部的最长径，和与它相垂直的最长径之比。

本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。

第一方面，本发明提供一种制备氮化钛/氮化镓异质结构材料的方法，其包括如下步骤：

(1)将镓源、表面活性剂以及去离子水加入水热反应釜中进行水热反应，得到氧化镓水合物前驱体；

(2)将所述氧化镓水合物前驱体加热分解得到一维氧化镓纳米线；

(3)以溶液法在所述一维氧化镓纳米线表面负载纳米二氧化钛，得到氧化镓和二氧化钛共沉淀；