[發(fā)明專(zhuān)利]一種金屬氧化物/Cu2O/聚吡咯三層結(jié)構(gòu)納米空心球及其制備方法和用途

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410754663.2
• 申請(qǐng)日: 2014-12-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104549526A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱麗萍;宋輝;李亞光;樓子瑞
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B01J31/38
• 分類(lèi)號(hào): B01J31/38;B01J31/34;B01J31/28;B01J37/16
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米空心球及其制備方法，尤其涉及一種金屬氧化物/Cu₂O/聚吡咯三層結(jié)構(gòu)納米空心球及其制備方法。

背景技術(shù)

人類(lèi)面臨煤、石油等能源日趨枯竭的危機(jī)，尋找新的替代能源已經(jīng)得到各國(guó)的重視。太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的能源，科學(xué)家們也在為把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成可存儲(chǔ)的電能、化學(xué)能而努力。光催化分解水制氫是太陽(yáng)能光化學(xué)轉(zhuǎn)化的最好途徑，因?yàn)闅淠茏鳛槎文茉淳哂星鍧?、安全、高效等其它能源無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。氣候變化、燃料電池技術(shù)以及日益突出的環(huán)境問(wèn)題推動(dòng)了“氫能經(jīng)濟(jì)”的產(chǎn)生，用氫氣取代或部分取代現(xiàn)有的能源供應(yīng)將成為人類(lèi)努力的方向。目前，化石燃料制氫是工業(yè)上的主要途徑，全世界有95%以上的氫氣是由化石燃料制造的。雖然化石資源制氫現(xiàn)有工藝成熟，生產(chǎn)成本也較低，但資源有限且不可再生，在獲得氫的同時(shí)，向大氣中排放大量的溫室氣體二氧化碳，以化石資源制氫將面臨資源短缺和環(huán)境惡化的雙重問(wèn)題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，這不符合可持續(xù)發(fā)展的需要。因此，利用可再生能源從非化石燃料中制氫，包括生物制氫，太陽(yáng)能光催化分解制氫和可再生能源發(fā)電電解水制氫，是解決國(guó)家能源安全和環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一，其中利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫，近年來(lái)已引起世界各國(guó)的廣泛重視。

在半導(dǎo)體材料光催化體系內(nèi)，實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴的有效分離是將光催化應(yīng)用于能源和環(huán)境問(wèn)題的必經(jīng)途徑。常見(jiàn)的單一化合物光催化劑為金屬氧化物或硫化物半導(dǎo)體材料。如TiO₂、WO₃等。它們都已經(jīng)在光催化領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。不過(guò)他們也有本征的不完美之處，單一半導(dǎo)體材料因?yàn)閮?nèi)部缺陷和本征復(fù)合的緣故，使得光生電子空穴在產(chǎn)生后，有接近90%的光生電子空穴直接在半導(dǎo)體內(nèi)部和表面配對(duì)復(fù)合，而不是與水和污染物作用。這樣就導(dǎo)致了絕大多數(shù)的光生電子空穴的浪費(fèi)，大大限制了對(duì)太陽(yáng)能的利用。因此，促使光生電子與空穴的分離，抑制其復(fù)合，從而提高量子效率，以便充分利用太陽(yáng)能，提高光催化劑的穩(wěn)定性是現(xiàn)代光催化領(lǐng)域的核心問(wèn)題。目前，有數(shù)種常用的半導(dǎo)體光催化劑的改性技術(shù)，主要包括過(guò)渡金屬離子摻雜和半導(dǎo)體光催化劑的復(fù)合等。在這之中前兩種由于使用很多稀有金屬元素，所以受到了成本和資源儲(chǔ)量的限制。由于普通半導(dǎo)體催化劑成本很低且資源豐富，所以復(fù)合光催化材料如TiO₂/Cu₂O、WO₃/Cu₂O、Bi₂O₃/Cu₂O等引起了廣泛的關(guān)注。復(fù)合光催化材料比單一的光催化材料具有優(yōu)異的性能是因?yàn)閺?fù)合材料一般會(huì)形成異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)通常由兩種不同的半導(dǎo)體材料通過(guò)異質(zhì)外延生長(zhǎng)復(fù)合而成，因其內(nèi)部產(chǎn)生可以促使電子空穴分離的內(nèi)建電場(chǎng)，所以在促進(jìn)光生電子空穴分離上具有獨(dú)特的理化特性。由于納米尺寸效應(yīng)使得電子空穴的擴(kuò)散距離大大減小，所以納米尺度的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)比相應(yīng)的塊材半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)具有更加明顯的光電性能優(yōu)勢(shì)。制備和研究納米半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料，探索其應(yīng)用，是近年來(lái)國(guó)際納米材料的前沿研究領(lǐng)域之一，具有很大的挑戰(zhàn)性和重要的科學(xué)意義。

近幾年研究發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)電高分子如聚吡咯、聚噻吩和聚苯酰胺等與光催化材料復(fù)合可以有效地提高光催化材料在可見(jiàn)光下的光催化效率。

此外，現(xiàn)如今由氧化銅(CuO)制備氧化亞銅(Cu₂O)的方法主要有兩種：(1)?氧化銅(CuO)?在氫氣的氣氛下加熱還原氧化亞銅(Cu₂O)，?(2)?氧化銅(CuO)?在惰性氣體保護(hù)下高溫分解成氧化亞銅(Cu₂O)。方法一的缺點(diǎn)是還原過(guò)程很難被控制，因?yàn)镃u²⁺很容易被還原成金屬銅單質(zhì)，而不是Cu¹⁺。方法二的缺點(diǎn)是只有部分氧化銅高溫分解成氧化亞銅，總會(huì)有殘留的氧化銅未被分解成氧化亞銅。因此，現(xiàn)代工業(yè)中也迫切需要一種能溫和的把氧化銅還原成氧化亞銅的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種比表面積大、光催化性能優(yōu)異的金屬氧化物/Cu₂O/聚吡咯三層結(jié)構(gòu)納米空心球及其制備方法。

本發(fā)明的金屬氧化物/Cu₂O/聚吡咯三層結(jié)構(gòu)納米空心球，其特征在于該空心球的球殼從內(nèi)向外依次為金屬氧化物多晶層、氧化亞銅多晶層和聚吡咯層，每層厚度均在10納米以下，金屬氧化物多晶層與氧化亞銅多晶層形成異質(zhì)結(jié)，氧化亞銅多晶層與聚吡咯層形成異質(zhì)結(jié)，金屬氧化物多晶層和氧化亞銅多晶層中晶粒尺寸均在10nm以下，空心球直徑為100～600納米。