[發(fā)明專利]負載型金屬氧化物納米材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811517340.6
• 申請日: 2018-12-12
• 公開（公告）號: CN109621931A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陸陽;許棕;晏浩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京高壓科學(xué)研究中心
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;B82Y30/00;B82Y40/00;C01G23/053;C01G33/00;C01G49/06;C03C17/23
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 江磊

本發(fā)明涉及負載型金屬氧化物納米材料及其制備方法，該負載型金屬氧化物納米材料包括基材和位于該基材上的納米材料，其制備方法包括預(yù)處理步驟在所述基材的至少一個表面上形成金屬氧化物種子層、水熱合成步驟和后處理步驟，所述負載型金屬氧化物納米材料的用途包括鈣鈦礦太陽電池、量子點敏化太陽電池、染料敏化太陽電池、光催化裝置、光電催化裝置、光電傳感器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備負載型金屬氧化物納米材料的方法，以及由其制造的負載型金屬氧化物納米材料。

背景技術(shù)

金屬氧化物納米材料是粒徑達到納米級的金屬氧化物材料，其具有比表面積特別大、表面活性中心多、光電性能優(yōu)異、化學(xué)活性高、化學(xué)和光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定好、催化活性高、耐化學(xué)腐蝕、耐熱性好、成本低、安全無毒、來源豐富等特點，廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理、能源轉(zhuǎn)化和存儲、傳感裝置、半導(dǎo)體裝置等領(lǐng)域。迄今為止，人們已經(jīng)發(fā)展了多種制備金屬氧化物納米材料途徑，包括：濕法，如溶膠凝膠法、微乳液法、水熱合成法、化學(xué)成法、模板合成法等；固相干法，如研磨法、燒結(jié)法、氣流撞擊法等；氣相法，如激光氣相沉積法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法等；以及其它特殊方法，如重力分選法、蒸發(fā)冷凝法、輻射合成法等。然而，目前大部分研究集中在制備粉末狀的金屬氧化物納米材料。為了便于分離和回收，納米粉末大多采用粘接、壓縮、涂抹等物理方法固定在基材表面形成無序的納米結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)和性能不穩(wěn)定、操作或步驟復(fù)雜、可控性差等缺點，這極大地限制了金屬氧化物納米材料的應(yīng)用。

相對于采用納米粉末制備的器件(如光電極)，在導(dǎo)電基材上原位生長的金屬氧化物納米材料具有光電子傳輸能力突出、結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定、催化活性更高、比表面積更高、制備工序簡單等優(yōu)點。金屬氧化物納米材料的一個晶面(例如，銳鈦礦TiO₂的{001}面)相對于另一個晶面(例如，{101} 面)具有較高的表面能、較高的表面原子暴露率、較高的電子注入能力、較高的導(dǎo)帶位置等，因而在光電領(lǐng)域，如光電催化和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，如太陽電池、光電催化分解水、人工光合成等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。因此，制備在表面能較高的晶面上具有高暴露比的納米金屬氧化物材料具有重要的實際意義。

從實際應(yīng)用角度來看，基材首選透明導(dǎo)電基材，例如，氟摻雜的氧化錫(FTO)導(dǎo)電玻璃。然而，目前報道的在透明導(dǎo)電基材上通過原位生長制備的器件的光電性質(zhì)和催化活性很不理想，其存在納米金屬氧化物材料和基材的接觸不好、具有較高表面能的晶面的暴露比不高以及尺寸較大等等問題。

因此，制備在表面能較高的晶面上具有高面暴露比、高比表面積、性質(zhì)穩(wěn)定的納米金屬氧化物材料是個亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題并克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種制備負載型金屬氧化物納米材料的方法，以及由該方法制備的負載型金屬氧化物納米材料。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供了一種制備負載型金屬氧化物納米材料的方法，所述負載型金屬氧化物納米材料包括基材和位于該基材上的金屬氧化物的納米材料，所述基材包含導(dǎo)電玻璃、導(dǎo)電陶瓷、或者它們的混合物；所述金屬氧化物包括以下金屬元素的氧化物：鈦、鋅、鐵、釩、鉬、鎢、錳、鈮、錸；

所述方法包括如下步驟：

(1)預(yù)處理步驟，在該步驟中在所述基材的至少一個表面上形成金屬氧化物種子層；

(2)水熱合成步驟，在該步驟中，步驟(1)獲得的具有種子層的基材與水熱反應(yīng)原料一起經(jīng)歷水熱條件的處理，從而在所述種子層上生長與種子層中的金屬氧化物相同種類的金屬氧化物，所述水熱反應(yīng)原料包含金屬源、任選的晶面誘導(dǎo)劑和任選的氧化劑；

(3)后處理步驟，在該步驟中，對經(jīng)歷過水熱合成步驟、表面上生長了金屬氧化物的基材進行熱處理，得到負載型金屬氧化物納米材料。

根據(jù)本發(fā)明一實施方式，在所述預(yù)處理步驟(1)中，通過以下技術(shù)在基材的至少一個表面上形成金屬氧化物種子層：原子層沉積、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、化學(xué)液相沉積、電沉積。