[發明專利]一種金原子/二氧化鈦復合材料、其制備方法及用途

在審

• 申請號: 202010037570.3
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN111151246A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 王松博;宋園園;唐娜;王非凡;姚柯奕
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: B01J23/52
• 分類號: B01J23/52;C01B3/04;C02F1/30;C02F101/34;C02F101/38
• 代理公司: 北京市領專知識產權代理有限公司 11590
• 代理人: 任永利

本發明公開一種金原子/二氧化鈦復合材料，其包括：二氧化鈦載體和金原子，所述二氧化鈦表面具有金屬缺陷，所述金原子以單原子形式和原子團簇形式生長于部分所述金屬缺陷處；所述金原子質量為所述二氧化鈦基體質量的0.01％?0.1％。本發明還公開了所述金原子/二氧化鈦復合材料的制備方法和用途，本發明制備的金原子/二氧化鈦復合材料中貴金屬金高度分散，因此所需負載量極低，同時金屬缺陷與表面金等離子體效應的協同作用極大促進了載流子分離并提高可見光利用率，從而實現高效光催化過程。本發明制備的金原子/二氧化鈦復合材料工藝簡單，過程無污染，具有優異的穩定性，在光催化、電催化和加氫催化等領域有著良好的應用前景。

技術領域

本發明專利屬于催化劑技術領域，具體涉及一種金原子/二氧化鈦復合材料、其制備方法及用途。

背景技術

能源和環境問題是當今社會面臨的兩大挑戰，尋找可再生能源對于保障能源安全和可持續發展至關重要，同時，嚴峻的環境污染急需高效的污染物處理技術。半導體光催化技術利用太陽能驅動化學反應，將能量密度較低的太陽能以化學能的形式加以存儲，可以獲取清潔能源和治理環境污染，是解決能源和環境問題的理想途徑。半導體光催化劑是太陽能轉變為化學能的核心，長期以來一直是研究的重點，目前主要研究方向為：提高可見光響應，提高電荷分離效率和表面反應速率等

二氧化鈦是最為常見的光催化劑，具有來源廣、安全無毒、通用性好等優點。由于其禁帶寬度為3.2eV，只能吸收太陽光中占比僅5％的紫外光，導致其太陽能利用率極低；此外，TiO₂在光照過程中產生的電子和空穴在遷移過程中極易復合，從而限制了TiO₂的應用。為了克服這些不足，研究工作人員以TiO₂為基礎，對其進行了缺陷位調控和貴金屬修飾以提高其光催化性能。

2008陳再華等人以銳鈦礦TiO₂和炭素為原料，經過在有氧氣氛中于600-1000℃下高溫焙燒得到氧缺陷型TiO₂，產物為淡黃色粉末，可見光照射下300分鐘內可使亞甲基藍脫色率達90％(中國專利：CN101422726)。2012年李美成等人以正丙醇，鈦酸四丁酯，氫氟酸和氧化石墨烯為原料，經過溶解熱法制備了富含三價鈦離子的TiO₂光催化劑，電子順磁共振譜圖結果顯示該材料中富含Ti³⁺，用于鋰離子電池時性能優于商用p-25(中國專利：CN106629837A)。2018年孟祥福等人將鈦源與含氟有機化合物混合，然后在熔融鹽中高溫煅燒，得到了藍色二氧化鈦，其吸光范圍可拓展至430nm，光催化降解羅丹明B的效率高于商用二氧化鈦p25(中國專利：CN108339542A)。然而上述氧缺陷型光催化劑在光催化過程中表面和體相氧缺陷容易被氧化，導致其穩定性較差，同時盡管此類光催化劑可以提高可見光響應，有研究者指出此類缺陷可能會形成電荷復合中心，降低光催化效率。

胡海華等在氧缺陷型二氧化鈦納米花上負載了金納米顆粒，所負載金的粒徑為2-9nm，并公開了該催化劑在可見光下具有光催化產氫活性(中國專利：CN108579738A)。Yang等通過陽極氧化法制備了納米多孔TiO₂，經高溫硼氫化鈉還原后得到氧缺陷型TiO₂，進一步通過磁控濺射法其表面修飾了金納米顆粒，由于表面金等離子體效應(SPR)的存在，與常規TiO₂相比，得到的TiO₂樣品的禁帶寬度從3.13eV降低至2.71eV，吸光范圍從370nm拓展至450nm(Yang,Y.et al,Journal of Materials Chemistry A,2018,6,12978-12984)。然而由于氧缺陷型TiO₂的電子遷移率有限，導致SPR效應注入電子的壽命較短，電子極易回流至Au與空穴發生復合，因此此類光催化劑光催化性能提高有限，同時由于所沉積的金納米顆粒粒徑較大，導致其負載量增大，成本提高。

以上報道的內容均為以TiO₂為主體的催化劑制備及改性處理，但是存在電荷分離效率低下、可見光利用率差、貴金屬負載量高的缺點。