[发明专利]一种多孔二氧化钛-氧化亚铜复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔二氧化钛‑氧化亚铜复合材料，采用简易的原位生长法，通过将二氧化钛微米棒、铜盐加入乙二醇体系，超声处理，然后依次加入碱液和抗坏血酸，控制搅拌时间进行室温搅拌反应，再经离心洗涤、干燥、冷却制成。本发明所述复合材料为p‑n异质结型多孔二氧化钛‑氧化亚铜复合材料，氧化亚铜纳米颗粒负载在多孔二氧化钛微米棒的表面，形成有效接触；TiO₂、Cu₂O两者之间匹配的能带位置以及有效的接触，有利于电子‑空穴对的有效传输与利用，可显著增强其光催化CO₂还原活性；且涉及的制备工艺简单，反应条件温和，操作方便，适合推广应用。

技术领域

本发明属于功能材料、光催化材料制备的技术领域，具体涉及一种多孔二氧化钛-氧化亚铜复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近些年，太阳能被视为一种取之不尽用之不竭的新型能源，有效开发利用太阳能被视为解决环境能源问题的方法之一。光催化技术能够广泛应用于有机污染物降解、光解水制氢以及二氧化碳还原为烃类燃料。其中二氧化碳光催化还原一方面能够使得二氧化碳排放减少从而抑制温室效应的恶化，另一方面可以产生碳氢燃料满足能源需求。但是，在二氧化碳光催化还原过程中，C＝O键由于具有较高的解离能(～750kJ/mol)，这需要相对较高的能量输入才能实现CO₂到烃类燃料的转化，导致二氧化碳光催化还原表现出低效率，因此，带隙合适的高活性催化半导体仍需探索。常见的TiO₂带隙值约为3.0-3.2eV，良好的可见光响应使得其在光催化领域有着广泛的应用前景，同时其稳定的物理化学性质以及其低导带电势能够有效抑制与CO₂还原竞争的H⁺还原反应，但是由于TiO₂的本征特性，其较少的活性位点及光生载流子的快速复合严重限制了其在二氧化碳光催化还原方面的应用。

近些年来，金属负载、半导体复合、单原子应用、贵金属掺杂等方法对二氧化钛进行改性，能够有效提升单一二氧化钛光催化活性。其中半导体复合被认为是一种有效弥补单一半导体缺陷的方法，因为两个不同半导体之间匹配的能带电势能够促进电子-空穴对的有效分离，从而抑制光生载流子的快速复合，另一方面增强界面电荷向吸附质转移。众多的复合材料中，铜基材料被认为是良好的材料，其中氧化亚铜作为常见的金属氧化物，能够表现出明显的近红外光响应，这归因于其较窄的带隙，同时氧化亚铜具备简单的电子陷阱作用，所以被认为是良好的构筑异质结材料的选择。氧化亚铜作为一种p-型半导体，带隙约为2.2eV，但其电子-空穴易于重组，常作为助催化剂应用在光催化体系中。氧化亚铜能够作为助催化剂修饰二氧化钛，从而提升光催化还原二氧化碳的能力。二氧化钛/氧化亚铜复合光催化剂已有较多研究(如文献“TiO₂/Cu₂O复合光催化剂的制备及表征”、“TiO₂纳米管阵列负载不同形貌Cu₂O薄膜的制备及光电性能研究”、“脉冲沉积制备Cu₂O/TiO₂纳米管异质结的可见光光催化性能”等)，能够得知，采用脉冲电化学沉积法步骤较为繁琐，而报道的一些磁力搅拌自组装法需要水浴加热，同样存在合成工艺繁琐等问题，并且通常情况下在水溶液及一些溶剂中制备的Cu₂O样品粒径较大，如文献“DMF体系中Cu₂O球晶的制备及形貌分析”中利用DMF体系制备的Cu₂O粒径较大，约为5-10μm、“ZnO/Cu₂O复合光催化剂的制备及光催化性能研究”里利用水溶液体系制备的Cu₂O粒径约为1μm；较大的粒径限制了其在光催化领域中的应用。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种多孔二氧化钛-氧化亚铜复合材料，其中多孔二氧化钛为棒状结构，氧化亚铜为纳米颗粒；所得复合材料中多孔二氧化钛与氧化亚铜之间借助乙二醇体系紧密接触，并成功构筑异质结，在光照下表现出良好的光催化性能；且涉及的制备方法工艺简单、成本低，适合推广应用。

为实现上述方案，本发明采用的技术方案为：