近日，在ACS Applied Energy Materials杂志上发表的一篇论文中，研究人员通过在被金-聚乙烯亚胺（Au-PEI）包围的水性介质中一步法制备了新型Au/K4−x Hx Nb6O17纳米复合材料。它是通过利用Au/K4−x Hx Nb6O17纳米片插层来固定Au-PEI纳米颗粒，所制备的纳米复合材料已成功应用于光诱导析氢。
在过去的几十年里，人们对通过结合金属纳米颗粒和金属氧化物来生产高性能光催化剂进行了广泛的探索。半导体相带隙激发收集光，金属纳米颗粒首先作为电子受体，然后在充当催化表面的同时促进还原反应。
铂（Pt）等贵金属已被大量用作析氢的催化表面。然而，由于半导体在可见光区域的光敏性，金（Au）纳米粒子受到了极大的关注。目前广被接受的其他替代方案包括相对丰富的Cu 0的复合材料。
随着Niobates铌酸盐等二维半导体的兴起，也出现了新型利用层间固定化技术，此外铌酸盐也以其化学稳定性和结构多样性而闻名。
试验内容
在该项研究中，研究人员最初使用固相反应方法从K2CO3和 Nb2O5制备K4Nb6O17 .3H2O，剥离的六铌酸盐纳米片用HNO3沉淀，然后制备Au-PEI纳米颗粒作为胶体悬浮液，颗粒的平均直径为13纳米。通过将剥离的六铌酸盐悬浮在100 mL去离子水中，搅拌24h使pH值稳定，将Au纳米粒子吸附到六铌酸盐纳米片中。
此外，使用光沉积方法，用普通Pt和Au纳米粒子对六铌酸盐纳米片进行修饰。这是为了测试Au-PEI纳米复合材料的光催化性能。在pH值为2到11之间测量样品，使用NaOH和HCl溶液调节pH值。在298K条件下，在与恒温槽相连的18 mL隔膜密封硼硅酸盐双壁反应器中进行析氢试验。
研究结果
金纳米粒子嵌入六铌酸盐片内的主要原因是两种材料的相互电荷补偿。当纳米复合材料在7到9的pH范围内形成时，Au-PEI和六铌酸盐分别带正电荷和负电荷，这使它们之间的静电吸引力最大。
拉曼光谱和X射线衍射（XRD）表明，由于Au-PEI纳米颗粒嵌入其中，纳米片的结构没有改变。在紫外可见光下，研究了Au-PEI/六铌酸盐纳米复合材料在20%v/v甲醇/水混合物中的析氢情况，并与含有金和铂纳米颗粒的光沉积六铌酸盐样品进行了比较。
与光沉积Au/六铌酸盐相比，Au-PEI-六铌酸盐纳米复合材料的析氢速率略高。据推断，Au-PEI/六铌酸盐复合材料上的PEI层在物理上阻止了质子向上扩散到Au表面，从而降低了检测到的析氢速率。虽然在Au-PEI复合材料中观察到这种减少为30%，但在光沉积复合材料中观察到的析氢减少高达96%，从而证实前者在光催化条件下更稳定。
主要结论
总而言之，该团队通过一步绿色工艺成功地制备了Au-PEI/六铌酸盐纳米复合材料。研究发现，这些复合材料比不含聚乙烯亚胺（PEI）且通过光沉积制备的复合材料更稳定。
基于详细的光谱和形貌研究，光催化剂通过使用Au-PEI纳米颗粒提高了稳定性，质子化PEI链与六铌酸盐表面产生强烈的静电相互作用。含有金纳米粒子的金属氧化物光催化剂因其不稳定性而闻名。颗粒团聚和浸出至液相是导致光活性损失的两个主要因素。然而，Au-PEI/六铌酸盐复合材料的浸出损失小于10%，没有结块迹象。
参考文献：Higor O. Alves, Brenda S. D. Frachoni, Barbara N. Nunes, Priscila R. Teixeira, Roberto M. Paniago, Detlef W. Bahnemann, et al., Highly Stable Au/Hexaniobate Nanocomposite Prepared by a Green Intercalation Method for Photoinduced H2 Evolution Applications, ACS Applied Energy Materials, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.2c00918
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