[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

摘要

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。

主权项

1.一种利用电子辐照进行TiO2纳米线阵列改性的方法，其特征在于，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：a‑1.依次取14～16μL的质量百分比浓度不高于37％的HCl溶液、0.5～0.7mg钛酸四丁酯、纯度不低于99.9％(v/v.)的8～10mL无水酒精置于容器中进行混合，通过超声搅拌，直至充分混合均匀，得到TiO2致密层溶液；a‑2.采用FTO玻璃基片作为衬底，在从FTO玻璃基片边缘开始并距离FTO玻璃基片边缘1～1.5cm位置处之间的宽度区域贴上胶带，将FTO玻璃基片边缘用胶带覆盖，使未被胶带覆盖的FTO玻璃基片中部区域作为待涂覆区域，备用；a‑3.将经过所述步骤a‑2处理后的FTO玻璃基片固定在旋涂机上，用滴管将在所述步骤a‑1制备的TiO2致密层溶液滴在FTO玻璃基片的中心区域，然后开启旋涂仪，以不低于3000rmp/min的转速，至少旋转涂覆30s，在FTO玻璃基片中部区域均匀涂覆TiO2致密层溶液液膜；a‑4.经过所述步骤a‑3涂覆处理后，撕除在FTO玻璃基片边缘粘贴的胶带，得到附着TiO2致密层液膜的FTO玻璃基片，然后将附着TiO2致密层液膜的FTO玻璃基片放入退火箱中，在不低于500℃下进行至少1h的高温退火处理，使TiO2致密层固化后与FTO玻璃基片结合，形成结合TiO2致密层的FTO玻璃衬底；b.水热法合成TiO2纳米线阵列：b‑1.依次取8～10mL的质量百分比浓度不高于37％的HCl溶液和8～10mL的去离子水于容器中混合，再将其放入磁力超声器中，通过不少于10min搅拌处理混合均匀，得到稀释后的HCl溶液，备用；b‑2.用移液枪取0.2～0.4mL钛酸四丁酯，加入到在所述步骤b‑1中稀释后的HCl溶液中，并在磁力超声器中进行不少于10分钟混合均匀，得到混合反应物溶液，备用；b‑3.将在所述步骤a‑4中制备的结合TiO2致密层的FTO玻璃衬底放入密封的反应釜中，再将在所述步骤b‑2中得到的混合反应物溶液倒入反应釜中，再将反应釜设置于电阻炉中，再对反应釜进行加热，在不高于170℃下进行水热反应不高于6h；b‑4.在所述步骤b‑3中水热反应结束后，停止加热，当反应釜的温度冷却到室温时，打开反应釜，取出FTO玻璃衬底，再用去离子水缓慢冲洗FTO玻璃衬底表面，并进行烘干，得到生长有TiO2纳米线阵列膜的FTO玻璃衬底复合体；b‑5.将经过所述步骤b‑4烘干处理的生长有TiO2纳米线阵列膜的FTO玻璃衬底复合体放入退火箱中，在不低于500℃下进行至少1h的高温退火处理，从而得到结合TiO2纳米线阵列的光学器件前体；(2)电子辐照TiO2纳米线阵列改性：利用直线电子加速器，对待处理的在所述步骤b‑5中制备的结合TiO2纳米线阵列的光学器件前体进行电子辐照处理，控制电子加速器的电子束流强度为5～10mA，辐照注量率为5～35kGy/s，辐照环境采用常温和常压条件，辐照方式采用来回扫描式，TiO2纳米线阵列经过电子辐照后，得到TiO2纳米线阵列光电器件。