[发明专利]一种基于飞秒激光增强自掺杂的二氧化钛光电极制备方法

说明书

本发明提出了一种基于飞秒激光增强自掺杂的二氧化钛光电极制备方法，属于光催化电极材料制备领域。首先利用飞秒激光加工系统，采取飞秒激光直写方式，在金属钛表面直接加工微米阵列。然后将经过飞秒激光加工的微米阵列结构，放到电化学工作站中进行阳极氧化，得到二氧化钛的微纳复合结构。最后对二氧化钛微纳复合结构进行退火处理，使其产生结晶。对比现有技术，本发明方法制备过程无需真空装置，无需氢化还原，价格相对低廉，制造的光电极具有丰富的氧空位和微纳复合结构，并显著降低了光电极的禁带，极大提高了的光吸收、光电转化率等。

技术领域

本发明涉及一种多级二氧化钛光电极制备方法，具体涉及一种基于飞秒激光增强自掺杂的二氧化钛光电极制备方法，属于光催化电极材料制备领域。

背景技术

二氧化钛作为一种光催化材料，以其化学性质稳定、氧化-还原性强、抗腐蚀、无毒及成本低等特性，成为目前最为广泛使用的半导体光催化剂，在能源、环境、生物检测等领域具有广泛的应用。近年来，由于二氧化钛光电极良好的稳定性以及可回收性，得到了广泛的应用。

一般情况下，光电极的光吸收率越高，吸收的太阳能量就越多；禁带越小，太阳光的利用率就越高。因此，选用具有高光吸收、低禁带的光电极，可以显著提高太阳光利用率。因二氧化钛具有较宽的禁带(3.0-3.2eV)，其对太阳光的可利用波长被限制在380nm以下，而该部分只占太阳光能量的百分之五。研究表明，通过氧空位自掺杂的方式，可以有效减小禁带宽度，且不引入新的载流子复合中心，从而提高二氧化钛对太阳光，尤其是可见光的利用率。此外，二氧化钛作为光电极，其表面的微纳复合结构可以有效提高对太阳光的吸收率。

目前，制备含氧空位掺杂的二氧化钛光电级微纳复合结构，主要通过采用3D打印和电火花加工等加工方法获得微结构，再进行氢化还原。但是，这种方法得到的微米结构尺寸较大，且后续需要进行氢化还原，需要采用高压设备和氢气处理，工艺复杂、价格昂贵，不适用于光电极的大规模应用。因此，迫切需要一种精度高、价格低，并且制备过程可控的光催化电极的制造新方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，为有效解决制备氧空位自掺杂的二氧化钛光电极的问题，提出一种基于飞秒激光增强自掺杂的二氧化钛光电极制备方法。该方法无需真空装置，无需氢化还原，价格相对低廉，制造的微纳结构高度可控，具有高光吸收率、低禁带、结构稳定、易回收等性能。

为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于飞秒激光增强自掺杂的二氧化钛光电极制备方法，包括以下步骤：

步骤一：利用飞秒激光加工系统，采取飞秒激光直写方式，在金属钛表面直接加工微米阵列。加工过程通过程序进行控制，首先进行行扫，然后进行列扫，从而加工出任意大小和形状的微米阵列。

在加工过程中，要采取合适的激光输出功率和聚焦物镜倍数，从而使金属钛的结构表面非晶化，该非晶化有利于阳极氧化过程中氧空位的形成。其中，所述合适的激光输出功率范围为5mw-30mw，聚焦物镜采用10倍物镜。

在加工过程中，扫描速度范围(飞秒激光的激光焦点在金属钛上的移动速度)可以为200-10000μm/s，优选为200μm/s；间距范围(飞秒激光的激光焦点走的直线之间的间隔)可以为25-75μm，优选为25μm。

加工的微米列阵，可以是锥状结构、圆柱结构、方台结构等各种类型的结构。

步骤二：将经过飞秒激光加工的微米阵列结构，放到电化学工作站中进行阳极氧化，得到二氧化钛的微纳复合结构。如，微米锥-纳米管微纳复合结构、微米柱-纳米管微纳复合结构。

通过阳极氧化，将使钛金属表面完全转化为二氧化钛，同时，纳米管会在微米结构表面垂直生长，呈空间三维曲面分布，布满整个微米结构的外表面。在微米列阵结构陷光效应的基础上，大大提高了光吸收能力，同时大量的纳米管提供了高比表面积。