[發明專利]一種四氧化三鈷量子點及其制備方法

有效

• 申請號: 201310074850.1
• 申請日: 2013-03-08
• 公開（公告）號: CN103204553A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 郭烈錦;張寧
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C01G51/04
• 分類號: C01G51/04;B82Y30/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于氫能制備領域，涉及氫能的光催化潔凈制備技術，特別涉及一種四氧化三鈷量子點及其制備方法。

背景技術

隨著石油、煤、天然氣等化石能源的消耗殆盡，以及環境問題的日益加劇，開發利用清潔的、可再生的能源已成為目前國內外政府十分重視的課題。就目前來說，地球上儲量最豐富的能源就是太陽能，平均每年投射到地球表面的太陽能高達1.05×10¹⁸千瓦時，相當于1.3×10⁶噸標準煤，而且，太陽能儲量分布較平均，地域影響較小，因此，開發利用太陽能已成為國內外學者研究的熱點。

太陽能的利用方式主要分為光熱轉化、光電轉化和光化學轉化。其中，光熱轉化和光電轉化對太陽能的利用效率較高，但對能量的儲存和再利用的效率較低。光化學轉化可以將太陽能轉化為化學能儲存起來，實現了太陽能的儲存和再利用，是非常有潛力的太陽能利用手段。

光催化分解水是光化學轉化的一個分支。它的原理是：在一定能量光的照射下，催化劑受到激發產生電子和空穴對。電子和空穴對遷移到催化劑表面，與水中的離子發生反應。其中電子還原水中的氫離子生成氫氣，而空穴氧化水中的氫氧根生成氧氣。這種產氫和產氧的反應實現了太陽能到化學能的轉化，氫氣和氧氣又可以作為能量載體儲存起來并在以后加以利用。又有，太陽能光譜中可見光譜占全部光譜的43%，遠超過紫外光譜的含量（7%），同時，紅外波段的光譜又不能滿足分解水的動力學要求，因此，要實現高效利用太陽能光催化分解水的關鍵是尋找具有合適帶隙的可見光響應的光催化劑。為了實現太陽能光催化利用的工業化，盡可能地降低催化劑的成本也是一大需求。目前國際上盡管有大量可見光響應的光催化劑的報道，但是要么成本太高，要么效率太低。

四氧化三鈷是目前公認的很有前途的光催化材料之一。它具有無毒性、化學穩定、低成本，高效的可見光催化產氧性能，因此它作為產氧反應的催化劑或助催化劑被廣泛應用。但是由于四氧化三鈷的導帶位置偏低，可見光激發光生電子不足以還原水中的氫離子生成氫氣，四氧化三鈷很少被單獨作為可見光催化分解水產氫產氧的催化劑。為了使四氧化三鈷能夠具有可見光下分解純水的能力，其導帶位置要適當提高。

量子點工藝可以適度改變材料原有的能帶結構，擴大材料的禁帶寬度，應用該工藝合成四氧化三鈷量子點，可以一定范圍內提高四氧化三鈷的導帶位置，進而提高其電荷分離能力，并調節其光吸收能力和光生載流子氧化還原能力，最終使其具有可見光催化分解純水的活性。

為了得到性能佳的四氧化三鈷量子點，必須將四氧化三鈷的顆粒尺寸做得足夠小，小到小于或等于四氧化三鈷的波爾半徑。目前，合成四氧化三鈷小顆粒的方法主要由以下幾種：

1、采用沉淀劑先生成含鈷的沉淀再高溫煅燒制備四氧化三鈷。

這種方法制備的四氧化三鈷顆粒尺寸盡管很小，但是依然很難滿足發生量子限域效應的條件，并且煅燒的樣品顆粒形貌不一，煅燒不充分易殘留雜質，導致產物純度不好控制（參見中國發明專利CN1344682）。

2、水熱法合成四氧化三鈷

這種方法制備的四氧化三鈷結晶度較好，顆粒尺寸可以方便控制，同時，控制投料也可以合成出具有特殊形貌的四氧化三鈷。但是這種方法合成的四氧化三鈷依然顆粒尺寸較大，不能滿足量子限域條件。（參見中國發明專利CN102887548A，CN1948167，CN102134105A）

3、溶劑熱法合成四氧化三鈷

這種方法合成的四氧化三鈷，顆粒尺寸可控，且粒徑可以做到很小。但是這種方法依然很難做到具有量子限域效應的尺寸（參見中國發明專利CN101838018A）。

4、控溫控壓微波法合成四氧化三鈷

這種方法可實現可控尺寸四氧化三鈷的快速合成。然而，這種方法由于其反應劇烈且迅速，對反應條件的一致性要求較高（參見中國發明專利CN1837066）。

從以上現有技術的闡述可知，傳統方法制備的四氧化三鈷納米晶體顆粒尺寸較大，不能滿足量子限域條件，同時，一些方法還存在反應條件控制復雜，且產物不易分離等缺點。這些都限制了四氧化三鈷材料在光催化領域中的應用。

發明內容

本發明的目的就是提供一種簡單廉價且高效的方法制備出四氧化三鈷量子點及其制備方法。

為了實現上述目的，本發明采取如下的技術方案：