[发明专利]一种真空碳掺杂二氧化钛纳米管阵列结构的制备方法和应用

说明书

本本发明公开了一种真空碳掺杂二氧化钛纳米管阵列结构的制备方法和应用，采用二次电化学阳极氧化法，在浸泡乙二醇的前提下，用管式炉进行真空退火。乙二醇将在二氧化钛纳米管表面上形成一层超薄碳壳，同时保持有序纳米管阵列结构。对制备的真空掺碳改性二氧化钛纳米管阵列光电阳极材料进行了一系列表征与光电催化性能测试，发现其具有优异的光电催化性能，光电流有了很大提升。可见光范围波长吸收增强，提高了太阳光的利用率，其合成方法简单、反应条件易控制，化学性质稳定，可以通过简单方法进行二氧化钛材料的碳掺杂改性，为提升二氧化钛材料光电催化性能的研究提供了全新的思路，具有较为广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种真空碳掺杂二氧化钛纳米管阵列结构的制备方法和应用。

背景技术

全球变暖和环境污染是人类社会面临的两大难题，其中二氧化碳是造成全球变暖的最主要温室气体之一。为了减少排放到大气中的二氧化碳总量，使用可再生的清洁能源替代传统化石能源是大势所趋。其中，太阳能作为所有清洁和可再生能源之母，在解决能源和环境问题方面具有巨大的潜力。虽然到达地球表面的太阳辐射总能量可以完全满足全球人类日常能源消耗。但是，太阳能所固有的时空分布间歇性和地理分布的不均匀性，以及现有半导体材料极低的光电转换效率，都极大地削弱了其实用效果。理想中的新一代太阳能收集和存储系统必须更节能高效，更具成本效益。将太阳能转换为氢能并加以存储和利用是解决能源与环境问题的一个有效的方案。

自从1972年日本科学家发现光电化学（PEC）分解水反应可同时获得氢气与氧气之后，通过光电化学分解水制氢就成为了一种具有重要研究价值的绿色氢能生产方案。与传统高能耗的电解水制氢技术和低效率的光催化分解水制氢技术相比，光电化学分解水制氢方法可以利用极小的外加能量输入，实现半导体材料接近100%的光生载流子分离效率，是一种理想而高效的将太阳能转化为氢气的方法，受到各国科学家的极大关注。

随着基于金属氧化物的光电阳极材料制备方法的不断发展进步，PEC分解水制氢技术可实现的从太阳能到氢的转换效率（STH）也在不断取得突破和提高。一系列的光催化n型半导体阳极材料已被开发并用于高效转换太阳能。理想的光阳极材料需符合制备成本低廉，化学稳定性良好，环境友好，载流子迁移速率高以及界面电荷转移快速等要求。其所处导带和价带的位置还必须充分满足水分解的条件。

作为一种典型的n型半导体，二氧化钛由于其合适的带隙、低成本、无毒、耐酸碱稳定性好和制备方便等优点，已被作为PEC水分解的主要光阳极材料受到广泛研究。然而，二氧化钛本身仍存在一些固有的缺陷，如较宽的禁带导致可见光吸收较差、可利用的光谱范围被局限于紫外光区域，载流子快速复合、电子电导率低等，这些都极大地限制了其在实际光电催化水分解的应用中发挥性能。

通过电化学阳极氧化刻蚀法制备的二氧化钛阵列材料，其表面形成有序纳米管阵列结构，得益于其对光的多重反射所带来的多重光吸收效应，以及薄管壁带来的导电性改善，二氧化钛纳米管阵列表现出极好的定向电荷输运特性，克服了传统二氧化钛纳米粉末由于在颗粒接触位置电子传输结构紊乱而导致的自由电子散射扩大、电子迁移率低的缺点。电化学阳极氧化法具有技术简单成熟，易于控制纳米管的尺寸和形状等优点。为了将二氧化钛纳米管可利用的光谱范围从紫外光区扩展到可见光区，并拓展二氧化钛的可见光响应范围，选择通过利用碳元素对二氧化钛纳米管材料进行改良。

本发明通过二次电化学阳极氧化法加上真空退火技术制备出一种碳掺杂二氧化钛纳米管阵列光电阳极结构，在PEC电解池中表现出良好的可见光吸收性能，提高了光转换效率。通过改变退火过程中气氛条件，由常见的空气/惰性气体退火变成真空退火来实现碳元素的引入。掺杂方法简单方便，不需要特别繁琐的步骤即可达到改性要求。成本低，操作简单，无需复杂的实验设备及苛刻的实验条件，且单批次可同步制备9片改良的二氧化钛有序纳米管阵列材料，制备效率高、重复性好。为优化二氧化钛光电阳极材料的性能提供了新的思路，具有广阔的应用前景。

发明内容