一種鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的制備方法與流程

本發明涉及一種鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的制備方法，屬于無機非金屬材料技術領域。

背景技術：
自從Honda和Fujishima首次采用Pt和二氧化鈦電極構成的光電化學電池在小偏壓作用下分解水制得氫和氧，光解水受到了廣泛關注，多種光催化材料和改性技術已經被提出并發展。目前，研究工作主要是從改進催化劑性能來提高產氫效率，主要的改性措施包括：（1）金屬負載。（2）離子摻雜。（3）形成異質結。（4）添加犧牲劑。（5）敏化處理。其中，貴金屬負載的方法不僅不會改變基體材料的結構，也不會因為摻雜離子的分散性不好而引入體相載流子復合中心，影響光催化活性。通常我們稱這種貴金屬負載為助催化劑，它與半導體納米材料復合可以形成肖特基勢壘，促進光生載流子的分離，減小光生電子-空穴的復合幾率。而貴金屬的功函數越大，肖特基勢壘越大，分離效應越強，所以光解水中最常用的是功函數最高的Pt。但是，通常沉積Pt納米粒子的方法是用硼氫化鈉還原法，這種方式得到的Pt納米粒子只是以靜電吸附力與催化劑復合，穩定性不好。而且硼氫化鈉給體系引入了其它離子，對催化性能會有影響。

技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種工藝簡單，所復合的鉑納米粒子粒徑均勻，分布均勻，且鉑納米粒子沉積效率高的鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的制備方法。本發明的鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的制備方法，采用的是光還原沉積法，包括以下步驟：1）將1~2mmol鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片加入到45mL去離子水中，攪拌得到懸濁液；暗室條件下，在所得懸濁液中加入六水合氯鉑酸溶液，使體系中的鉑含量為鈦酸鉛納米片質量分數的1~3%，攪拌5~15h；2）在步驟1）所得懸濁液中加入5mL甲醇，置于透明石英玻璃反應器皿中，體系保持抽真空狀態和0℃，在波長λ＞400nm的氙燈下，調節光照功率為20W，攪拌狀態下光照反應體系1~3h，所得產物依次用去離子水、無水乙醇洗滌，在40~60℃真空干燥，得到鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料。本發明中，所述的鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片可采用CN103898607A，《一種鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法》公開的方法獲得。本發明中，所述的六水合氯鉑酸，甲醇均為化學純。本發明中所用鈦酸鉛納米片具有單晶單疇結構，從而具有自發極化作用，一方面可以控制Pt納米粒子光還原沉積在鈦酸鉛納米片的正極化面上。另一方面，鈦酸鉛納米片在表面的極化場對Pt納米粒子有束縛作用，從而保證了復合材料的穩定性。本發明制備過程中，真空環境可以及時將光生空穴氧化產生的氧氣排出，防止氧氣與生成的新鮮Pt納米粒子反應。甲醇可以作為空穴犧牲劑，進一步防止電子空穴對的復合和Pt的氧化。0℃可以防止體系溫度過高，避免甲醇大量揮發，同時保護鉑納米粒子的生長速率和沉積過程不受影響。光照時間隨六水合氯鉑酸溶液濃度增加而增加。本發明采用光還原法，工藝簡單，不需要加入除了鉑鹽之外的其它金屬離子，所以產物比較潔凈；另外，鈦酸鉛納米片在表面具有極化場，有利于光還原沉積的Pt納米粒子在復合材料中穩定存在。所復合的鉑納米粒子粒徑均勻，分布均勻，且鉑納米粒子的沉積效率高。本發明不僅為高效制備貴金屬納米粒子與半導體納米材料的復合材料提供了指導，而且制備的鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料有望用作光解水材料。附圖說明圖1是實施例1所得鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的SEM照片；圖2是實施例1所得鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的HAADF圖；圖3是實施例2所得鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的SEM照片；圖4是實施例3所得鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的SEM照片；圖5是實施例4所得鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的SEM照片；圖6是實施例5所得鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料的SEM照片。具體實施方式以下結合實施例進一步說明本發明方法。實施例11）將0.5g鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片加入到50mL去離子水中，攪拌得到懸濁液；暗室條件下，在所得懸濁液中加入333微升77mmol/L六水合氯鉑酸溶液，攪拌5h；2）在步驟1）所得懸濁液中加入5mL甲醇，置于透明石英玻璃反應器皿中，體系保持抽真空狀態和0℃，在波長λ＞400nm的氙燈下，調節光照功率為20W，攪拌狀態下光照反應體系1h；所得產物依次用去離子水和無水乙醇洗滌，在40℃真空干燥，得到鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料。圖1是所得復合材料的SEM圖，可以看到所生成的Pt納米粒子粒徑不到10nm，這些小粒子首先聚集成小納米團簇，然后這些納米團簇又聚集形成圈狀圖案，均勻分布在鈦酸鉛納米片的一面。圖2是所沉積的納米粒子的HAADF面，可以看到，Pt納米粒子以團簇形式沉積在鈦酸鉛納米片上。實施例21）將0.5g鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片加入到50mL去離子水中，攪拌得到懸濁液；暗室條件下，在所得懸濁液中加入499微升77mmol/L六水合氯鉑酸溶液，攪拌7h；2）在步驟1）所得懸濁液中加入5mL甲醇，置于透明石英玻璃反應器皿中，體系保持抽真空狀態和0℃，在波長λ＞400nm的氙燈下，調節光照功率為20W，攪拌狀態下光照反應體系1.5h；所得產物依次用去離子水和無水乙醇洗滌，在40℃真空干燥，得到鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料。圖3是所得復合材料的SEM圖，可以看到光還原的Pt納米粒子粒徑增大，平均粒徑為49nm，呈球形納米顆粒分布在鈦酸鉛納米片的一面上。實施例31）將0.5g鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片加入到50mL去離子水中，攪拌得到懸濁液；暗室條件下，在所得懸濁液中加入666微升77mmol/L六水合氯鉑酸溶液，攪拌10h；2）在步驟1）所得懸濁液中加入5mL甲醇，置于透明石英玻璃反應器皿中，體系保持抽真空狀態和0℃，在波長λ＞400nm的氙燈下，調節光照功率為20W，攪拌狀態下光照反應體系2h；所得產物依次用去離子水和無水乙醇洗滌，在50℃真空干燥，得到鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料。圖4是所得復合材料的SEM圖，可以看到光還原的Pt納米粒子中既有50nm左右的Pt納米顆粒，又有呈菌落狀分布在鈦酸鉛納米片上的Pt納米粒子。實施例41）將0.5g鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片加入到50mL去離子水中，攪拌得到懸濁液；暗室條件下，在所得懸濁液中加入832微升77mmol/L六水合氯鉑酸溶液，攪拌12h；2）在步驟1）所得懸濁液中加入5mL甲醇，置于透明石英玻璃反應器皿中，體系保持抽真空狀態和0℃，在波長λ＞400nm的氙燈下，調節光照功率為20W，攪拌狀態下光照反應體系2.5h；所得產物依次用去離子水和無水乙醇洗滌，在60℃真空干燥，得到鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料。圖5是所得復合材料的SEM圖，可以看到光還原的Pt納米粒子主要以菌落狀沉積在鈦酸鉛納米片上，同時，較大的Pt納米顆粒位于菌落狀Pt納米粒子的中心。實施例51）將0.5g鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片加入到50mL去離子水中，攪拌得到懸濁液；暗室條件下，在所得懸濁液中加入999微升77mmol/L六水合氯鉑酸溶液，攪拌15h；2）在步驟1）所得懸濁液中加入5mL甲醇，置于透明石英玻璃反應器皿中，體系保持抽真空狀態和0℃，在波長λ＞400nm的氙燈下，調節光照功率為20W，攪拌狀態下光照反應體系3h；所得產物依次用去離子水和無水乙醇洗滌，在60℃真空干燥，得到鈦酸鉛納米片與鉑納米粒子復合材料。圖6是所得復合材料的SEM圖，可以看到光還原的Pt納米粒子以連續菌落分布在鈦酸鉛納米片上，一些較大的納米顆粒，吸附在鈦酸鉛納米片的邊緣。