[发明专利]ZnS/Au/TiO2纳米复合膜光阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光阳极，尤其是涉及一种ZnS/Au/TiO₂纳米复合膜光阳极的制备方法。

背景技术

不锈钢材料因具有优良的物理和化学性能，在机械、建筑、军工、化工医疗、能源，以 及家庭耐用消费品等领域得到了广泛的应用。不锈钢的“不锈”是和耐蚀相对的。在一些条 件下，特别是在氯离子存在的环境中，不锈钢易发生点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和腐蚀疲劳 等局部腐蚀破坏现象。因此，控制或防止不锈钢腐蚀是非常重要的问题。至今，已有多种表 面处理技术和涂层技术用于提高不锈钢的耐蚀性能，但仍然存在许多需要解决的问题。

随着纳米技术的迅速发展，纳米材料在金属腐蚀与防护领域有着诱人的前景。纳米二氧 化钛(TiO₂)半导体以其优越的光电性能引起了人们的广泛关注，1994年后Tsujikawa研究组、 Fujishima研究组和Choi研究组相继报道了在铜、304不锈钢和碳钢表面涂覆纳米TiO₂颗粒 薄膜，在紫外光照射下对金属基体的光生阴极保护作用，使腐蚀研究者看到了开发新的防腐 蚀技术的希望。后来，又有人考察了TiO₂纳米线、纳米管的光生阴极保护作用。但是，由于 TiO₂的禁带宽度为3.2eV，仅能吸收紫外光，太阳能利用率仅为3％～4％，且光生电子-空 穴对快速复合，光电转化效率较低。因此，如何进一步提高TiO₂薄膜的光电转化效率成为一 个关键性的研究课题，其中，对薄膜进行改性，包括采用金属掺杂、非金属掺杂、复合半导 体、染料敏化和贵金属沉积等方法是一些重要的思路。

贵金属沉积是对TiO₂纳米材料改性的有效方法之一，在半导体与贵金属之间可以形成一 个特殊的界面——肖特基势垒，能有效地降低光生电子-空穴对的复合机率，促进光生电子的 传递。近几年，由于Au纳米粒子改性TiO₂材料后具有独特的光电性能，使其在光学和光催 化研究方面受到越来越多的关注([11]Harada M，Matsumoto F，Nishio K，Masuda H.Study of  photocatalytic reaction of TiO₂/Au mosaic electrode arrays[J].Electrochemical and Solid State  Letters，2005，8(2)：E27；[12]Dawson A，Kamat P V.Semiconductor-metal nanocomposites. Photoinduced fusion and photocatalysis of gold-capped TiO₂(TiO₂/Gold)nanoparticles[J].Journal of Physical Chemical B，2001，105(5)：960-966；[13]Subramanian V，Wolf E E，Kamat P V. Catalysis with TiO₂/gold nanocomposites.Effect of metal particale size on the Fermi level  equilibration[J].Joural ofthe American Chemical Society，2004，126(15)：4943；[14]Bian Z F，Zhu J， Cao F L，Lu Y F，Li H X.In situ encapulation of Au nanoparticles in mesoporous core-shell TiO₂  microshperes with enhanced activity and durability[J].Chemical Communications，2009，(25)： 3789)。已有的研究发现，Au掺杂引入的杂质能级可以加快TiO₂半导体中光生电子和空穴的 传输速率，减少电子和空穴的复合，提高光电转化效率([15]Aurora P，Rhee P，Thompson L. Titania nanotube supported gold photoanodes for photoelectrochemical cells[J].Journal of the  Electrochemical Society，2010，157(7)：K152；[16]Ghicov A，Schmuki P.Self-ordering  electrochemistry：a review on growth and functionality of TiO₂ nanotubes and other self-aligned  MOx structures[J].Chemical Communications，2009，(20)：2791.)。但是，在光生阴极保护研究 方面，还缺乏这方面的研究。ZnS禁带宽度(3.8eV)较大([17]Shen Q，Kobayashi J，Diguna  L J，Toyoda T.Effect of ZnS coating on the photovoltaic properties of CdSe quantum dot-sensitized  solar cells[J].Journal of Applied Physics，2008，103(8).)，因而具有优良的光稳定性，且其导带 电位(-1.85V vs NHE)比Au的费米能级(0.5V vs NHE)较负([18]Chen W T，Hsu Y J. L-Cysteine-Assisted Growth of Core-Satellite ZnS-Au Nanoassemblies with High Photocatalytic  Efficiency[J].Langmuir，2010，26(8)：5918)，与Au复合可以形成能量势垒([17]Shen Q， Kobayashi J，Diguna L J，Toyoda T.Effect of ZnS coating on the photovoltaic properties of CdSe  quantum dot-sensitized solar cells[J].Journal of Applied Physics，2008，103(8).)，阻挡Au表面的 电子与溶液的接触，从而可以使更多的电子导入外电路，可使光照时复合膜的光电流增大， 提高阴极保护效应。