[发明专利]一种单原子负载二氧化钛光催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单原子负载二氧化钛光催化材料及其制备方法。所述的单原子负载二氧化钛光催化材料包括改性Mil‑125原料、表面活性剂、水和过渡族金属盐、贵金属盐、稀土金属盐中的一种或两种或两种以上的金属盐，Mil‑125与表面活性剂的质量比为1:0.3～1.2，改性Mil‑125原料与过渡族金属盐、贵金属盐、稀土金属盐中的一种或两种或两种以上金属的质量比为95～99.9:0.1～5；制备方法有混合溶液、离心洗涤、干燥、热处理等步骤，从而获得高稳定性、高量子转化效率的光催化材料。图为所制备的单原子铜负载二氧化钛光催化材料，在模拟太阳光的照射下分解水的产氢量及循环产氢性能，显示出优异的稳定性和高的光催化活性，量子转换效率达到73％。

技术领域

本发明属于化工技术领域，进一步属于光催化技术领域，具体涉及一种单原子负载二氧化钛(TiO₂)光催化材料及其制备方法。

背景技术

能源危机及环境问题是人类社会目前面临的亟待解决的关键问题。氢(H₂) 作为一种清洁能源，具有燃烧性能好、无毒性、能量密度高等优点，采用光催化技术，利用太阳能驱动水分解产氢是一种极具前途的将太阳能转化为氢能的方法，其中光催化材料是核心。锐钛矿相TiO₂半导体材料由于具有良好的光催化效应，且物理化学性能稳定、耐光腐蚀、价格相对低廉、环境友好及对人体无毒等特点，在光解水制氢、环境污染治理等领域具有重要的应用潜力，因而自1972年发现TiO₂在紫外光照射下具有光催化性能以来一直受到学术界及产业界的共同关注与重视，然而目前TiO₂光催化材料的量子转换效率低，严重阻碍了其实际应用。

为了解决上述瓶颈问题，目前国际上围绕高效光催化材料的研究有2条途径：一是对TiO₂进行改性，如采用离子掺杂、氧化物复合、光敏化、贵金属沉积等，已取得了一定的实验进展；二是合成非TiO₂基的新体系光催化材料，该方面的工作仍处于基础研究阶段，在实际应用方面尚未取得突破。由于TiO₂原料资源丰富、便于大批量生产、价格低廉、性能稳定、无毒和相对较高的光活性，若能有效提高量子转换效率，对TiO₂光催化材料及技术的推广应用无疑是极为有利的。

金属单原子催化剂是近年来迅速发展起来的新型催化剂，相比传统金属催化剂，金属单原子催化剂中的原子以单分散的形式负载于载体上，在催化反应中可充分参与反应，利用效率可接近100％，而且用于光催化材料中，可使光生载流子得到高效分离，极具开发和应用前景。然而由于金属单原子具有极高的表面能，在合成和催化过程中容易团聚、稳定性差、寿命短且制备成本高，阻碍了实际应用，亟待研发性能稳定的低成本制备方法以推动其工业化生产及工程化应用。

Mil-125是一种常见的金属有机框架，由八个钛氧八面体组成其基本单元，单元之间由苯环进行连接。经过煅烧后，含碳的苯环断裂，钛氧八面体发生重排，进而形成锐钛矿相或金红石相的TiO₂，并保留了Mil-125的多孔结构，使 TiO₂光催化材料具有大的比表面积，可有效提高其光催化效率。若在合成Mil-125 的过程中，通过适当减少钛酸四丁酯(Ti(OC₄H₉)₄)的加入量，制备出富含Ti 空位的Mil-125，将其作为锐钛矿相TiO₂光催化材料的前驱体，在烧结后得到的锐钛矿相TiO₂具有较高浓度的Ti空位，有利于提高其光催化活性；其次若将富含Ti空位的Mil-125作为负载金属单原子TiO₂光催化材料的前驱体，Ti空位与金属离子具有较强的相互作用，可完全满足牢固锚定单原子的要求。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种单原子负载TiO₂光催化材料；本发明的第二目的在于提供所述的单原子负载TiO₂光催化材料的制备方法。