[发明专利]硫化镉量子点敏化分枝状二氧化钛纳米棒阵列电极及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及光电化学技术领域，具体的说，是涉及一种纳米棒阵列电极及其制备方法。

背景技术

氢能因其具有高能清洁等优点在化石能源日益枯竭的今日受到了广泛关注；太阳能由于其取之不竭、洁净无污染等优点在能源规划中占据举足轻重的地位。太阳能光电化学池分解水制氢作为一种新型的制氢方法，真正实现了环境无污染且能源合理利用。二氧化钛（TiO₂）在自然界中储备量大、耐腐蚀性好、价廉无毒，备受关注。然而，TiO₂在光照条件下光生电子-空穴复合极快，光电催化活性较低；同时，TiO₂的禁带宽度为3.2ev，带隙较宽，其光吸收范围限制在紫外光区（仅占发生光总能量的5%），因而TiO₂作为光电阳极材料，难以高效利用太阳光，其光电效率很低。

近年来，取向良好的一维单晶宽带隙半导体纳米棒阵列或纳米阵列受到越来越多的关注。它的优点是能够为光生电子传输提供直接路径，从而增大电子传输速率。单晶的TiO₂纳米棒阵列(TiO₂NRs)或纳米线阵列作为光电阳极有很大的优势，但在氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃基底上制备，难度比较大，报道比较少，目前主要的方法是气相沉积法和水热合成法。相比于气相沉积法，水热合成法设备简单，成本低，工艺简单。与传统的TiO₂纳米棒阵列相比，分枝状的TiO₂纳米棒阵列(TiO₂B-NRs)结构因良好的电荷传输性能和太阳光吸收性能引起了人们的广泛关注。美国斯坦福大学的Jaramillo课题组合成的分枝状的TiO₂纳米棒阵列薄膜在光解水制氢中表现出了优越的性能，在外界偏压为0.6V，380nm处，光电转化效率达到了67%。尽管分枝状的TiO₂纳米棒在电子传输方面相比于TiO₂纳米颗粒展现了优越的性能；分枝状的TiO₂纳米棒相对于TiO₂纳米棒表面积也大大提高，但其仍有不可避免的缺点：由于其禁带宽度较大，仍只能利用紫外光。

硫化镉（CdS）是一种窄禁带宽度的半导体（禁带宽度为2.4eV），对可见光有较好的响应，使用CdS敏化TiO₂纳米棒阵列能够有效的提高光电极对太阳光的利用率，并且有利于电子和空穴的分离，从而提高其光电转化效率。多伦多大学的Xingfu Zhou等人通过水热合成TiO₂纳米棒粉末，并利用化学液相沉积进行CdS量子点敏化，通过紫外可见光谱检测，材料对可见光有了很大程度的吸收，光电转化效率得到了提高。尽管CdS对可见光有较好的响应，但其易被光腐蚀而导致不稳定性也是其应用的限制因素。

发明内容

本发明要解决的是传统的TiO₂纳米棒阵列材料与电解液接触面积较小、分枝状TiO₂纳米棒阵列材料不能利用可见光、CdS不够稳定等，限制了CdS敏化TiO₂纳米棒在光电催化领域应用的技术问题，提供一种硫化镉量子点敏化分枝状二氧化钛纳米棒阵列电极及其制备方法和用途。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种硫化镉量子点敏化分枝状二氧化钛纳米棒阵列电极，包括衬底上的TiO₂纳米棒阵列，

所述衬底为FTO导电玻璃；

所述组成TiO₂纳米棒阵列的所述TiO₂纳米棒包括主干纳米棒，所述主干纳米棒表面密布有分枝状结构，所述分枝状结构表面均匀负载有CdS量子点；

所述主干纳米棒的直径为100-300nm，长度为1.5-3μm；

所述分枝状结构的直径为10-20nm，长度为50-100nm；

所述CdS量子点直径为5-10nm。

优选地，

所述主干纳米棒的直径为150-200nm，长度为2-2.4μm；

所述分枝状结构的直径为10-20nm，长度为50-80nm；

所述CdS量子点直径为5-10nm。