[发明专利]一种增强TiO2电极电化学性能的方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种简便、廉价、高效的增强TiO₂电极电化学性能的方法。该方法能增强TiO₂作为储能器件电极，太阳能电池电极以及光电催化材料的性能，同时可作为良好的导电材料应用于其它领域。

背景技术

随着全球信息化和工业化的快速发展，各种计算机、微型电子器械和移动通讯设备日益普及，迫切需要高性能的存储器备用电源。另一方面，燃油汽车的消费造成能源匮乏和严重的环境污染，这促使人们设计生产低能耗和低排放电动汽车或混合动力电动汽车。但目前常用的二次电池由于功率密度不足，无法独自满足电动汽车的动力要求，需要高功率密度的超级电容器配合使用。同时，人们一直在寻求新的洁净能源和减轻环境污染的方法，如H₂能燃烧放出大量能量且产物是水，水又能重复利用产生H₂，整个循环过程没有任何污染。但是如何简便且廉价地制备出H₂一直难以解决。TiO₂由于具有半导体性质和化学性质稳定、成本低廉、环保等优点，不仅是一种可用于电化学储能器件的超级电容电极材料，而且是一种很有发展前途的光电催化材料，可应用于光电催化分解水制备H₂和降解引起环境污染的有机物。因此，TiO₂作为储能器件、太阳能电池或光电催化系统的电极材料，成为全球范围内无论是学术界还是产业界的研究热点。

然而，当直接使用本征态的TiO₂作为储能器件电极或光催化电极时，其电化学性能较差。例如，TiO₂纳米颗粒制备成超级电容电极时，仅呈现出较低的双电层电容，容量为10-40μF/cm²，这主要是由本征态TiO₂的低电导特性所致。此外，TiO₂纳米颗粒用作光电催化电极时，其光吸收效率不到3%，且催化效率低。这又与TiO₂能隙较宽（3.2 eV），只对紫外光有响应以及载流子复合过快等因素有关。

可见，提高TiO₂的电导率是增强其作为储能器件电极性能的关键。为了提高TiO₂的电导率和电化学性能，目前主要采用引入金属（ZK Zheng, et al. Journal of Materials Chemistry 21 (2011) 9079）或非金属杂质（X Chen, et al. Chemical Reviews 107 (2007) 2891）的方法在TiO₂能隙中产生受主或施主态，从而降低禁带宽度达到提高电导率的目的。然而，由于掺杂剂的引入而造成的诸如载流子复合以及热和电化学的不稳定性问题仍难以解决（R Asahi, et al. Science 293 (2001) 269）。另一方面，通过在TiO₂晶格中引入氧空位（Ti³⁺位）产生施主态的自掺杂也能调控其能带结构，这种自掺杂方法可以极大地提高TiO₂对可见光到红外光的响应、它的电导率及电化学活性。但是，迄今最有效的自掺杂方法都是在高温下进行（XH Lu, et al. Nano Letters 12 (2012) 1690; XD Jiang, et al. Journal of Physical Chemistry C 116 (2012) 22619）或需要长时间的处理过程（XB Chen, et al. Science 331 (2011) 746）。因此，找到一种简便、廉价、高效的方法增强TiO₂电化学性能是解决问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便、廉价、高效的增强TiO₂电极电化学性能的方法，使TiO₂电极材料能满足储能器件、光电催化、太阳能电池、光致变色等领域的应用要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种简便、廉价、高效的增强TiO₂电极电化学性能的方法，对所制备的TiO₂电极进行反向加电压处理：即以晶态的TiO₂电极为阴极，碳棒为阳极的两电极体系中，电解液浓度为0.1-2 M，常温下进行电化学反应处理，两电极间间距为0.5-10 cm、施加电压为2-10 V和反应处理时间为5-360 s。