[发明专利]一种TiO2/GQDs/NiS异质结光阳极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种TiO₂/GQDs/NiS复合光阳极及其制备方法，解决了TiO₂光电转换效率较低的问题。本发明以钛片为基体，含有石墨烯量子点的乙二醇、氟化铵水溶液为电解液，通过阳极氧化法，制备出含有石墨烯量子点(GQDs)的TiO₂复合膜。再通过连续离子层吸附‑沉淀反应将NiS纳米颗粒沉积到TiO₂表面，然后在氮气管式炉中，退火20min得到TiO₂/GQDs/NiS复合光阳极。TiO₂/GQDs/NiS(浸渍8次)复合膜光电流密度是TiO₂纳米管的2倍。本发明方法简便、易于操作，所制备的TiO₂/GQDs/NiS复合光电极具有很高的光催化活性及稳定性。

技术领域

本发明所属技术领域为光催化、光电化学材料技术领域，特别涉及二氧化钛异质结光催化剂开发及制备方法。

背景技术

TiO₂纳米管阵列(TNA)由于其高的比表面积，优良的电荷传输性能、无毒、催化活性高、化学稳定性和低成本等优点而受到研究者们的青睐。TNA在气体传感器、太阳能电池、生物催化剂、生物医学植入材料和锂离子电池等方面的应用是很吸引人的。然而TiO₂仅能吸收500nm以下波长的太阳光，无法充分利用太阳光的能源；并且光生电子空穴对易于复合，导致光电转换效率较低，在实际应用中仍有许多地方有待改进和完善。因此对TiO₂光敏半导体通过改性形成异质结，以提高其光电化学性能。对光催化活性具有重要意义。

GQDs具有很强的sp²杂化碳结构，因此其稳定性非常好，在高强度紫外光条件下也不发生化学变化。而且石墨烯量子点是非金属的碳材料结构，稳定性好、成本低、污染小、在各方面都有很大的应用前景。然而，GQDs的研究还处于早期阶段，这种材料的潜能还没有完全探索出来，因此针对GQDs独特的物理化学性质，将GQDs与TiO₂光敏半导体材料进行复合改性。

硫化镍是一种窄带隙的直接半导体，吸光系数较高，被应用于太阳能电池、光电导元件、光电设备的光敏薄膜、光敏涂料和红外探测器等。特别地，NiS因其带隙比较窄而具有非常宽的吸收光谱，使其成为一种高效的半导体光催化剂材料。所以本专利中将NiS作为助催化剂与TiO₂构建异质结催化剂，以提高TiO₂的光电化学性能及稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种可见光催化剂纳米TiO₂/GQDs/NiS光阳极及其制备方法，该方法操作简便、易于操作，所制备的TiO₂纳米管复合膜具有很高的光催化活性。

具体步骤为：

(1)阳极氧化合成TiO₂纳米管，将钛片分别在丙酮、乙醇、蒸馏水中各超声15分钟。电解液为0.3wt％的氟化铵和2wt％的蒸馏水以及100mL的乙二醇，向电解液中加入5～50mL的石墨烯量子点，设置直流稳压电源输出电压为 20～100V，阳极氧化时间进行0.5～5h后结束。最后将阳极氧化试片用蒸馏水冲洗，冷风吹干，得到包含GQDs的TiO₂纳米管阵列膜。

(2)将步骤(1)中制备的光阳极浸入0.03M的乙醇化的镍盐溶液中 0.5～5min，然后用乙醇冲洗掉样品表面过量松散的吸附离子，再将光电极浸入 0.03M的硫源和甲醇水溶液中2～6min，硫源：甲醇体积比为1:1。最后将样品试片用蒸馏水冲洗，冷风吹干，保存待处理。

(3)将步骤(2)中的样品试片置于管式炉中，将管式炉中抽成真空，再充入氮气，待管式炉中充满氮气后，以5℃/min的升温速率升温至300～600℃，退火2h，待其降温后取出，得到钛箔表面沉积TiO₂/GQDs/NiS复合膜光阳极。