[发明专利]一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极及其制备方法

说明书

一种钽衬底上生长In_xGa_1‑xN纳米线的光电极，包括Ta衬底、中间层和In_xGa_1‑xN纳米线层，其中，x＝0.05～0.5。中间层包括Ta氮化物，且构筑于所述Ta衬底与所述In_xGa_1‑xN纳米线层之间，与In_xGa_1‑xN纳米线层的能级匹配。通过阳极氧化法结合高温氨化法对钽片进行前处理，形成中间层，然后采用VLS‑CVD法，在处理后的钽片上生长In_xGa_1‑xN纳米线。本发明设计了Ta/(Ta₂N/TaN/Ta₃N₅)/In_xGa_1‑xN纳米线结构的光电极，构筑了能级匹配的中间层，大幅度提高光催化分解水制氢和光催化降解水中有机污染物效率，且方法简单，在解决能源和环境问题方面有着重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及光分解水制氢技术领域，且特别涉及一种钽衬底上生长In_xGa_1-xN纳米线的光电极及其制备方法。

背景技术

能源短缺和环境恶化是目前人类面临的两大问题。利用光催化材料进行水分解制氢，一方面能够利用光降解有机污染物，另一方面直接把太阳能转化为氢能。氢可储存，热效率高，是理想的清洁能源，也是重要的化工原料。光分解水制氢能够避免现有制氢方法中副产物二氧化碳的产生，更为环保。因此，光催化材料在解决能源和环境问题方面有着双重的应用前景。

利用太阳光分解水制氢的光催化材料至少要满足三个条件：首先，其禁带宽度要大于水的分解电压(理论值1.23eV)，最合适的禁带宽度应为2.0eV左右。其次，半导体光催化剂的价带位置应高于 O₂/H₂O的电位，而导带的位置应低于H⁺/H₂。此外，光催化材料本身还要有足够的抗光腐蚀的能力。光催化材料光解水的原理可以n型半导体为例解释，如图1所示，n型光催化半导体与水的界面能带向上弯曲，在此内建电场下光生电子和空穴能够分离；光生空穴向界面方向移动并与水反应析出氧气；光生电子向相反的方向迁移，并通过导线流向金属对电极，还原水中的氢离子成为氢气。将两个电极隔开，可以实现氢气和氧气的完全分开，获得纯净的氢气和氧气。

光催化材料利用太阳光降解水中的污染物的原理与分解水制氢十分类似，主要不同在于价带上的空穴不是将水氧化成氧气，而是直接氧化水中有机物，或者氧化水产生·OH自由基，所以半导体光催化材料的价带位置不一定高于O₂/H₂O的电位；另外，导带上的电子参与的还原反应则是将水中的氧气还原成O₂^-·超氧自由基，导带的位置略低于O₂^-/O₂^-·即可(O₂^-/O₂^-·的位置略高于H⁺/H₂)。由此可见，利用太阳光降解水中的污染物对光催化材料的能带条件要求比分解水制氢要低。

光催化材料分解水或降解有机物有三个基本步骤：1)吸收光子，激发电子-空穴对；2)光生电子-空穴分离；3)光生电子和光生空穴分别参与表面的水的氧化还原反应。光催化材料参与的反应是多相异质反应，光催化材料与衬底的界面结构，光催化材料本身的带隙宽度、能级位置、尺寸、形貌以及晶体质量，都将深刻地影响光生载流子的分离效率及光催化反应的量子效率。