[发明专利]利用电子辐照进行TiO2纳米线阵列改性的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种利用电子辐照进行TiO₂纳米线阵列改性的方法及其应用，首先进行水热法制备TiO₂纳米线阵列，制备TiO₂致密层并通过水热法合成TiO₂纳米线阵列，然后利用电子辐照TiO₂纳米线阵列，得到TiO₂纳米线阵列光电器件。本发明制备的TiO₂纳米线阵列光电器件能应用于电化学分解水制氢工艺，进行水的电解制备氢能源。本发明方法引入电子辐照方法，一方面能可控调控晶格缺陷来改善TiO₂的载流子浓度及迁移率，从而有效的提高TiO₂光阳极材料的光生载流子传输和分离效率；另一方面由于该方法是在原子级别上对材料进行改性处理，具备独有的兼容性，能与其它离子掺杂、异质结结构等方法很好地结合，从而能进一步促进光吸收红移以及光生载流子的横向运输能力，减少载流子复合，大幅度提高TiO₂光阳极器件的光电流密度。工艺简单，可重复性好，经济性效益大。

技术领域

本发明涉及一种光电器件的制备方法及其应用，特别是涉及一种结合纳米功能材料的光电器件的制备方法及其应用，应用于光电化学分解水制氢和太阳能转化利用技术领域。

背景技术

水被直流电电解生成氢气和氧气的过程被称为电解水制氢工艺，电解水制氢是取代蒸汽重整制氢的下一代制备氢燃料的方法。在理想条件下，电解水产生的气体量与通过的电量成正比。但是，实际情况下，由于许多副反应的参与，会产生一定量的副产物，目前在工艺应用上还不经济。

1971年，Fujishima和Honda用二氧化钛电极光助电解水获得了氢气，开始将光电化学制氢引入电解水制氢工艺，开创了光电化学分解水制氢和光能转化利用的新方法，在光电化学分解水制氢工艺中，光电流密度是一个非常重要的指标，主要用于评价材料的制氢能力。

传统的光电化学电池由光阳极、光阴极和电解质构成。电极材料通常为半导体材料，受光激发可以产生电子空穴对，在电解质溶液中组成光电化学电池，在光和电的驱动下，产生氢气和氧气。由于氧气产生的电化学动力学较慢，因此光阳极半导体材料是影响制氢效率的最关键的因素。应该使半导体光吸收限尽可能地移向可见光部分，减少光生载流子之间的复合，以及提高载流子的寿命，并提高对太阳能的利用效率。光阳极材料研究得最多的是TiO₂，TiO₂作为光阳极，耐光腐蚀，化学稳定性好。但目前的TiO₂光阳极的光吸收效率还不理想，光生载流子的横向运输能力有待提高，光生载流子之间的复合需要抑制，TiO₂光阳极器件光电流密度需要提高，才能满足大规模工业化制氢以及太阳能的转化利用的需要，这成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用电子辐照进行TiO₂纳米线阵列改性的方法及其应用，引入电子辐照方法，一方面能可控调控晶格缺陷来改善TiO₂的载流子浓度及迁移率，从而有效的提高TiO₂光阳极材料的光生载流子传输和分离效率；另一方面由于该方法是在原子级别上对材料进行改性处理，具备独有的兼容性，能与其它离子掺杂、异质结结构等方法很好地结合，从而能进一步促进光吸收红移以及光生载流子的横向运输能力，减少载流子复合，大幅度提高了TiO₂光阳极器件的光电流密度，工艺简单，可重复性好，经济性效益大。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用电子辐照进行TiO₂纳米线阵列改性的方法，包括如下步骤：

(1)水热法制备TiO₂纳米线阵列：

a.制备TiO₂致密层：