[发明专利]一种Au修饰TiO2纳米棒阵列光阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电解水制氢用光电极的制备方法，尤其是涉及一种Au量子点修饰二氧化钛纳米棒阵列光电解水制氢的方法。

背景技术

纳米二氧化钛作为一种绿色功能材料，具有优异的光催化和光电转换性能，广泛应用于光催化，光降解和光电解水制氢等领域。采用水热合成法在导电玻璃基底上制备的高度有序TiO₂纳米棒阵列，由于其比表面积大，一维线性结构能够提供电子传输的快速扩散通道，光生载流子传输性能优异等特点，因此在光电解水制氢等领域已显示出极大的应用前景。然而，单纯TiO₂纳米棒中光激发产生的电子/空穴对容易发生复合，很大程度上抑制了其光催化性能和光电转换效率的提高。在TiO₂纳米棒阵列上负载贵金属如Au等纳米颗粒可以引起TiO₂纳米棒内部电荷的重新分布，在表面形成空间电荷层改变体系中电子和空穴的流动方式，有效地减少电子/空穴对的复合几率，进而提高光电催化产氢性能，近年来已引起了广泛的研究兴趣。

在TiO₂表面进行Au的修饰改性可显著提高TiO₂在可见光的吸收范围，特别是近年来在TiO₂纳米管阵列进行的一系列工作，使得Au修饰的纳米TiO₂尤其引人注目。已经报道的Au修饰TiO₂纳米管阵列的制备方法有多种，包括浸渍-还原法，电沉积法等。然而，由于TiO₂纳米管内存留的空气对于离子的进入具有显著的阻尼效应，Au纳米颗粒容易聚集在管口而难以进入管内，最终制得的样品中Au分布明显不均。因此，这些方法都存在一些缺点。而TiO₂纳米棒阵列具有更大的暴露面积，与电解质溶液接触更加充分，在其表面更容易进行Au的修饰改性，使其具有更加优异的光催化性能。因此，对于TiO₂纳米棒的修饰改性来提高其光催化性能就显得很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可见光吸收特性的Au修饰TiO₂纳米棒阵列光阳极的制备方法。

为实现上述目的，本发明包括以下步骤：

（1）预沉积Au过程如下：将洁净的FTO作为阳极，Pt电极或石墨电极作为对电极，饱和甘汞电极或银-氯化银电极作为参比电极，在含Au的前驱体溶液中进行三电极体系恒电流沉积，沉积电量控制在25mC/cm²-500mC/cm²之间。

（2）水热合成制备TiO₂纳米棒阵列过程如下：将Au/FTO基底置于含Ti前驱体溶液的高压釜中，进行水热反应。8-30h后，样品取出清洗，即在Au/FTO导电面生长有一层TiO₂纳米棒阵列膜（TiO₂/Au/FTO)。

（3）TiO₂纳米棒表面担载Au过程如下：将TiO₂/Au/FTO作为阳极，Pt电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，在浓度为0.1mM-10M的Au前驱体溶液中进行三电极体系恒电流沉积，沉积电量控制在25mC/cm²-500mC/cm²之间。

本发明是一种利用新型TiO₂纳米材料光电解水制氢的方法，首次将Au量子点对二氧化钛纳米棒表面及底部共同修饰的Au/TiO₂/Au作为光阳极，在三电极体系中光电解水制氢。利用电沉积法在TiO₂纳米棒阵列表面均匀沉积Au纳米颗粒，颗粒尺寸在5-10nm之间，在纳米棒表面及底部形成均匀分布，将其作为光阳极，在三电极体系光电解池中，以KOH溶液为电解质，施加一定偏压后光电解水制氢。与传统的TiO₂电极相比，利用Au修饰的TiO₂纳米棒阵列的光阳极的光电流和光电转换效率显著提高，产氢速率快，具有良好的化学稳定性能。

本发明的优点及有益效果为：

1.利用水热合成法制备TiO₂纳米棒阵列，大大提高了TiO₂的比表面积，提高了电子的传输速率，促进了电子空穴的有效分离，减少了载流子的复合几率，进而提高了光电极的光催化效率和光分解水效率。