一种三维二氧化钛-金-氮化碳三元材料的制备方法与流程

本发明涉及纳米材料合成技术领域，更具体地说是一种在导电基底上制备三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合材料的制备方法，并且改善光电性能。

背景技术：

二氧化钛作为一种n型半导体材料，具有光催化性能好、稳定性高、价格便宜等优点，已经广泛应用于光电器件、太阳能电池、光催化、生物传感等领域。二氧化钛的光电性能与其形貌相关，与一维纳米材料相比，三维材料具有更大的表面积、电子传递速度快、增强光吸收效率，能够具有更好的光电响应。但二氧化钛具有3.2 eV禁带宽度，导致二氧化锑只能吸收紫外光，这限制了二氧化钛的广泛应用。染料敏化、半导体复合、掺杂、表面等离子体共振等方法已经被用来改善二氧化钛对可见光的响应，增强光电效率。

二氧化钛与窄禁带半导体复合形成异质结构，不仅能够促进电荷的分离而且能提高对可见光吸收效率。氮化碳作为一种窄禁带半导体材料，具有良好的化学稳定性，可以与二氧化钛复合改善其光电转换效率。然而，半导体异质结构之间存在电子传递慢，电子空穴容易复合等缺点，又限制了光电转换效率的提高。因此，加快异质结构界面之间电子传递的速度，降低电子空穴复合，能够进一步改善光电转换效率。金纳米颗粒具有良好的光学性能，同时具有良好的导电性，能够吸收特定波长的光，产生表面等离子体共振效应，与半导体材料复合能够极大地改善对可见光的吸收，增强光电转换效率。

技术实现要素：

本发明提供了一种在导电基体上制备三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合纳米材料的方法，三维树枝状二氧化钛相比零维、一维、二维二氧化钛，具有更大的表面积，同时能够提高电子传递速率，碳化氮能够增加对可见光的吸收，金纳米颗粒不仅可以促进电子从氮化碳向三维树枝状二氧化钛纳米棒传递，同时具有等离子体表面共振效率，吸收特定波长的光产生热电子，增强光电效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种在导电基体上制备三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合纳米材料改善光电性能的方法，该三元复合材料的制备方法为：

（1）利用导电玻璃作为基底（1 cm宽，5 cm长），利用水热法在导电玻璃表面合成三维树枝状的二氧化钛纳米棒；

（2）在三维树枝状二氧化钛纳米棒表面修饰一层金纳米颗粒；

（3）在金纳米修饰的三维树枝状二氧化钛纳米棒表面修饰一层氮化碳。

本发明所述的导电玻璃为氟掺杂氧化锡导电玻璃（FTO）。

本发明所述三维树枝状二氧化钛纳米棒的制备过程如下：首先将FTO导电玻璃切割成1 cm宽、5 cm长大小，分别用丙酮、乙醇和二次水超声清洗10 min，配置40 mL 6 M HCl溶液磁力搅拌10 min，随后加入0.8 mL钛酸四丁酯原液继续搅拌30 min，将4片FTO导电面向下放入50 mL高压釜内衬中，将上述制备的混合溶液转入高压釜内衬，将高压釜拧紧，放入预先升温至150 ℃的烘箱中反应4 h，反应完毕，将高压釜冷却至室温，取出FTO用二次水冲洗，即得到二氧化钛纳米棒；随后将1 mL 6 M HCl加入40 mL二次水中搅拌10 min，然后加入0.5 mL三氯化钛溶液继续搅拌10 min，将上述制备的含有二氧化钛纳米棒FTO导电面向下置于上述溶液中，用保鲜膜封口，置入80 ℃烘箱中反应40 min，反应完毕取出用二次水冲洗，置于450 ℃马弗炉中煅烧1 h，升温速率5 ℃/min，即可得到三维树枝状二氧化钛纳米棒。

本发明所述金纳米修饰三维树枝状二氧化钛纳米棒的制备过程如下：首先制备10 mM HAuCl4水溶液，然后用10 mM的NaOH溶液调节HAuCl4 pH至4.5，随后将制备的三维树枝状二氧化钛纳米棒FTO进入该溶液3 h，然后用二次水冲洗，将上述FTO导电面向上至于马弗炉中，450℃下煅烧2 h，升温速率为10℃/min。反应完毕后即可得到金纳米修饰三维树枝状二氧化钛纳米棒。

本发明所述三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合纳米材料制备过程如下：首先将5 g尿素溶于50 mL二次水中超声10 min，然后将制备得到的金纳米修饰三维树枝状二氧化钛纳米棒浸入该溶液中24 h，随后二次水冲洗，导电面向上至于马弗炉中500x ℃下煅烧30 min，升温速率为5℃/min。反应完毕后即可得到三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合纳米材料。

本发明的有益效果：

（1）合成三维树枝状二氧化钛纳米棒，相比其他二氧化钛材料具有更大的表面积，有利于改善光吸收；

（2）三维树枝状二氧化钛纳米棒表面修饰氮化碳能够改善对可见光吸收；

（3）金纳米能够加速电子从氮化碳向二氧化钛传递，同时金纳米表面等离子体共振效应能够增强光电转换效率。

说明书附图

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细描述

图1为该三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合纳米材料制备方法示意图。

具体实施方式

三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合纳米材料制备方法

（1）三维树枝状二氧化钛纳米棒的制备：首先将FTO导电玻璃切割成1 cm宽、5 cm长大小，依次用丙酮、乙醇以及二次水超声清洗10 min，清洗完毕后用氮气干燥，配置40 mL 6 M的HCl溶液磁力搅拌10 min，随后加入0.8 mL钛酸四丁酯原液继续搅拌30 min，将4片FTO导电面向下放入50 mL高压釜内衬中，将上述制备的混合溶液转入高压釜内衬，将高压釜拧紧，放入预先升温至150 ℃的烘箱中反应4 h，反应完毕，将高压釜冷却至室温，取出FTO用二次水冲洗，即得到二氧化钛纳米棒；随后将1 mL 6 M HCl加入40 mL二次水中搅拌10 min，然后加入0.5 mL三氯化钛溶液继续搅拌10 min，将上述制备的含有二氧化钛纳米棒FTO导电面向下置于上述溶液中，用保鲜膜封口，置入80 ℃烘箱中反应40 min，反应完毕取出用二次水冲洗，置于450 ℃马弗炉中煅烧1 h，升温速率5 ℃/min，即可得到三维树枝状二氧化钛纳米棒。

（2）金纳米修饰三维树枝状二氧化钛纳米棒的制备：首先制备10 mM HAuCl4水溶液，然后用10 mM的NaOH溶液调节HAuCl4 pH至4.5，随后将制备的三维树枝状二氧化钛纳米棒FTO进入该溶液3 h，然后用二次水冲洗，将上述FTO导电面向上至于马弗炉中，450℃下煅烧2 h，升温速率为10℃/min。反应完毕后即可得到金纳米修饰三维树枝状二氧化钛纳米棒。

（3）三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合纳米材料制备过程如下：首先将5 g尿素溶于50 mL二次水中超声10 min，然后将制备得到的金纳米修饰三维树枝状二氧化钛纳米棒浸入该溶液中24 h，随后二次水冲洗，导电面向上至于马弗炉中500x ℃下煅烧30 min，升温速率为5℃/min。反应完毕后即可得到三维树枝状二氧化钛纳米棒-金纳米-氮化碳三元复合纳米材料。

将所制得的样品进行SEM、XRD以及紫外分析，所用扫描电子显微镜型号为FEI QUANTA 3D FESEM，XRD粉末衍射仪型号为Rigaku DMAX-RB, Japan CuKα，紫外分光光度计型号为Varian Cary 5000。