CN110813283B - 一种二氧化钛/金/二氧化钛光催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化钛/金纳米颗粒复合材料。所述光催化复合材料的制备方法是以还原了金离子的大肠杆菌作为模板,通过水热法合成,并通过在空气中煅烧去除生物质。本发明方法在回收废水中的贵金属离子的同时能够以此为模板合成复合材料,制备方法新颖独特,并且制备的材料具有更强的可见光吸收能力,提高了光的利用率。

Description

一种二氧化钛/金/二氧化钛光催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及光催化领域,具体的涉及一种具有高效光催化产氢性能的二氧化钛/金/二氧化钛复合结构光催化剂及其制备方法与应用,属于光催化材料及其制备领域。
背景技术
二氧化钛(TiO2)由于具有优异的光催化能力和化学稳定性,一直被认为是最重要的太阳能捕获和光电转换半导体材料进行研究。但是,纯TiO2是宽禁带半导体材料,只能利用太阳光的紫外部分,而且,光生载流子容易复合,利用效率低。贵金属纳米粒子修饰改性TiO2光催化剂是提高其光催化性能的有效方式之一。然而贵金属价格昂贵,这会大大增加光催化剂的生产成本。目前,随着工业的发展,一些水体中含有大量贵金属离子污染物,因此,从废液中回收贵金属也具有十分重要的经济和社会意义。
发明内容
针对现有技术的不足,本项目利用微生物还原贵金属离子,并以此为模板合成光催化剂。在回收贵金属的同时能够合成具有优异光催化性能的光催化剂,达到了真正的变废为宝。
本发明所述的类菌状TiO2/Au/TiO2复合结构,其特征在于:所述的光催化剂是以TiO2纳米线和Au纳米颗粒组合成的菌状,其纳米线的长度为100-400nm,直径 为4-8nm,所组成的类大肠杆菌形状的复合结构长度为1-3µm,直径为500-1000nm,中间包裹着Au纳米颗粒,直径为5-15nm,其中以质量比计,Au:TiO2 = 1:20~1:5。
本发明所述TiO2/Au/TiO2复合结构光催化剂的制备方法,步骤是:
(1)将1~8 mL 1mg/mL的氯金酸水溶液加入到培养有大肠杆菌的LB培养基100mL中,然后将其放到37℃的培养箱内12小时,可以看到LB培养基从黄色变成了棕色。
(2)将上述溶液离心,得到还原了金离子的大肠杆菌。然后将其加入10ml水与30ml的二甘醇的混合溶液中,搅拌均匀后加入0.35g的草酸钛钾。继续搅拌0.5±0.1小时。
(3)将复合溶液转移反应釜内,在180±10℃下反应12±1h。
(4)反应结束后将反应釜自然冷却至室温,所得产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤。于80±10℃干燥,得到固体粉末在马弗炉中空气气氛下500±50℃煅烧2h。即得到大肠杆菌状的TiO2/Au/TiO2复合结构。
上述具有TiO2/Au/TiO2复合结构光催化剂的制备方法中:所述TiO2/Au/TiO2复合结构光催化剂中Au和TiO2比例优选的为1:10。
本发明所提供的的上述异质结构复合光催化剂及其制备方法,通过制得大肠杆菌状的TiO2/Au/TiO2异质复合型光催化剂,这种异质复合型光催化剂在光的照射下,由于其等离子共振效应,其对光的吸收能力与光的吸收范围大大增加,这样有效提高了光利用率。同时Au纳米颗粒作为助催化剂会加速电子空穴对的传输,从而促进载流子的分离,进而提高了光催化剂的催化效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例1方式中的异质结构光催化剂的结构示意图。
图2为本发明实施例1,2制备的TiO2/Au/TiO2材料及纯TiO2的X-射线衍射(XRD)图谱。
图3为本发明实施例1制备的TiO2/Au/TiO2材料的扫描电镜图(SEM)。
图4为本发明实施例1制备的高分辨透射电镜图(HRTEM)。
图5为本发明实施例1制备的TiO2/Au/TiO2、对比例1制备的纯TiO2和对比例2制备的TiO2/Au,以及在可见光下分解水产氢的性能对比。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
实施例1:
(1)将2 mL氯金酸1mg/mL的水溶液加入到培养有大肠杆菌的LB培养基100mL中,然后将其放到37℃的培养箱内12小时,可以看到LB培养基从黄色变成了棕色。
(2)将上述溶液离心,得到还原了金离子的大肠杆菌。然后将其加入10mL水与30mL的二甘醇的混合溶液中,搅拌均匀后加入0.35g的草酸钛钾。继续搅拌2h。
(3)将复合溶液转移至50mL反应釜内,在180℃下反应12h。
(4)反应结束后将反应釜自然冷却至室温,所得产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤。于80℃干燥12h,得到固体粉末在马弗炉中空气气氛下500℃煅烧2h。即得到大肠杆菌状的TiO2/Au/TiO2复合结构。
将所得的TiO2/Au/TiO2复合结构用德国布鲁克D8 X-射线衍射仪分析(结果见图2)。
将所得的TiO2/Au/TiO2复合结构用日立SU8100的扫描电镜(SEM)进行观察,如图3所示,其为大肠杆菌形状。
将所得的TiO2/Au/TiO2复合结构用日本JEOL公司生产JEM2100F 型透射电子显微镜(TEM)进行观察,如图4所示,可以看到Au与TiO2的晶格结构,且金纳米颗粒在二氧化钛的中间。
将所得的TiO2/Au/TiO2复合结构进行光催化产氢的测试,20mg的上述复合结构加入到40mL水与10mL甲醇组成的混合溶液中,然后用模拟太阳光进行光照,强度为100mW/cm-2,并在不同的时间点用气相色谱仪对产生的氢气进行检验。并与对比例1,对比例2,对比例3所制备的样品进行对比,可以看到实施例1所制备的复合催化剂具有更强的产氢速率。
对比例1:
(1)将含有大肠杆菌的LB培养基100mL放到37℃的培养箱内12小时。
(2)将上述溶液离心,得到大肠杆菌。然后将其加入10mL水与30mL的二甘醇的混合溶液中,搅拌均匀后加入0.35g的草酸钛钾。继续搅拌2h。
(3)将复合溶液转移至50mL反应釜内,在180℃下反应12h。
(4)反应结束后将反应釜自然冷却至室温,所得产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤。于80℃干燥12h,得到固体粉末在马弗炉中空气气氛下500℃煅烧2h。即得到大肠杆菌状的纯TiO2
对比例2:
(1)制备实施例2中的纯大肠杆菌状TiO2
(2)将制备的TiO2加入到75mL水与25mL乙醇的混合溶液中,超声搅拌均匀后,加入2mL氯金酸1mg/mL的水溶液继续搅拌均匀。
(3)将上述混合溶液放到 300W的汞灯下边搅拌边光照2h,溶液由白色变成了黑色。然后将其用去离子水洗涤后于80℃干燥12h,得到固体粉末在马弗炉中空气气氛下500℃煅烧2h。即得到TiO2/Au复合结构。
实施例2
(1)将4 mL氯金酸1mg/mL的水溶液加入到培养有大肠杆菌的LB培养基100mL中,然后将其放到37℃的培养箱内12小时,可以看到LB培养基从黄色变成了棕色。
(2)将上述溶液离心,得到还原了金离子的大肠杆菌。然后将其加入10ml水与30mL的二甘醇的混合溶液中,搅拌均匀后加入0.35g的草酸钛钾。继续搅拌2h。
(3)将复合溶液转移至50mL反应釜内,在180℃下反应12h。
(4)反应结束后将反应釜自然冷却至室温,所得产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤。于80℃干燥12h,得到固体粉末在马弗炉中空气气氛下500℃煅烧2h。即得到大肠杆菌状的TiO2/Au/TiO2复合结构。
实施例3
(1)将4 mL氯金酸1mg/mL的水溶液加入到培养有大肠杆菌的LB培养基100mL中,然后将其放到37℃的培养箱内12小时,可以看到LB培养基从黄色变成了棕色。
(2)将上述溶液离心,得到还原了金离子的大肠杆菌。然后将其加入10ml水与30mL的二甘醇的混合溶液中,搅拌均匀后加入0.35g的草酸钛钾。继续搅拌2h。
(3)将复合溶液转移至50mL反应釜内,在180℃下反应12h。
(4)反应结束后将反应釜自然冷却至室温,所得产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤。于80℃干燥12h,得到固体粉末在马弗炉中空气气氛下500℃煅烧2h。即得到大肠杆菌状的TiO2/Au/TiO2复合结构。

Claims (2)

1.一种具有可见光催化水产氢性能的类大肠杆菌状的二氧化钛/金纳米颗粒/二氧化钛复合结构光催化剂, 其特征在于:所述光催化剂 由还原了金离子的大肠杆菌作为模板合成,金纳米颗粒在二氧化钛的中间,其中所述复合结构光催化剂是以TiO2纳米线和Au纳米颗粒组合成的菌状, 其纳米线的长度为100-400nm,直径 为4-8nm,所组成的类大肠杆菌形状的复合结构长度为1-3µm,直径为500-1000nm, 中间包裹着Au纳米颗粒,直径为5-15nm;并且所述光催化剂由如下方法制得:
(1)将1~8 mL 1mg/mL的氯金酸水溶液加入到培养有大肠杆菌的LB培养基100mL中,然后将其放到37℃的培养箱内12小时,可以看到LB培养基从黄色变成了棕色,
(2)将上述溶液离心,得到还原了金离子的大肠杆菌, 然后将其加入10ml水与30ml的二甘醇的混合溶液中,搅拌均匀后加入0.35g的草酸钛钾, 继续搅拌0.5±0.1小时,
(3)将复合溶液转移反应釜内,在180±10℃下反应12±1h,
(4)反应结束后将反应釜自然冷却至室温,所得产物用去离子水和无水乙醇分别洗涤,于80±10℃干燥,得到固体粉末在马弗炉中空气气氛下500±50℃煅烧2h, 即得到大肠杆菌状的TiO2/Au/TiO2复合结构。
2.如权利要求1所述具有可见光催化水产氢性能的类大肠杆菌状的二氧化钛/金纳米颗粒/二氧化钛复合结构光催化剂,其特征在于:步骤(1)所述1mg/mL的氯金酸的量为2mL。
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