[發明專利]一種金屬氧化物修飾TiO2納米管陣列電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201110281853.3
• 申請日: 2011-09-21
• 公開（公告）號: CN102352524A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 叢燕青;伏芳霞;王齊;張軼
• 申請（專利權）人: 浙江工商大學
• 主分類號: C25D11/26
• 分類號: C25D11/26;C25D11/34;C25D5/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及電極材料和制備工藝，尤其涉及一種具有可見光催化活性和光電催化特性的金屬氧化物/TiO₂納米陣列電極及其制備方法。

背景技術

隨著經濟的發展，全球能源消耗量迅速增長。能源和環境危機成為人類面臨的重大挑戰，合理開發和利用清潔能源已成為必然趨勢。太陽光是最典型的自然能源，太陽能利用是新能源開發和能源再生利用的重要組成部分。目前，太陽光主要用在光熱轉換和光電轉換兩個領域，包括光伏發電和光化學。

二氧化鈦納米管陣列(TiO₂-NTs)是具有較強光催化作用的納米結構半導體氧化物，在光催化材料、太陽能電池、氣體傳感器和廢水光電催化方面得到了廣泛研究和應用。TiO₂-NTs的制備方法包括模板法、水熱合成法和陽極氧化法等。其中鈦片在含氟電解質中的陽極氧化是最簡單的制備方法，其制備的二氧化鈦納米管具有高度有序性，用作電化學陽極時具有顯著的催化活性。高度有序的納米管結構減少電子晶格間跳躍時的能量損失，提高了對可見光區低能光子的吸收。高度有序納米管結構具有良好的光電化學應用前景。

然而，TiO₂具有較寬的禁帶(3.0-3.2ev)，只能吸收太陽光譜中的紫外光，影響了其廣泛應用。同時，TiO₂的光生電子-空穴對復合幾率較高，使其光催化活性和催化效率降低。Fe₂O₃，CuO等氧化物具有較窄的禁帶寬度和較強的可見光敏感性。用該金屬氧化物修飾TiO₂納米管電極，可以明顯提高TiO₂電極的光電催化活性。當可見光照射該電極時，金屬氧化物受到激發并誘導產生電子-空穴對。由于TiO₂導帶比氧化物的導帶電位更正，光生電子從金屬氧化物納米粒子導帶進入TiO₂導帶并轉移到TiO₂納米管的表面。然后在外部靜電場的作用下，穿過TiO₂和Ti的邊界，進入外部電路，實現光生電子-空穴的有效分離，顯著提高TiO₂電極光電催化活性。

目前，金屬氧化物修飾TiO₂納米管電極的制備方法報道較少。

發明內容

本發明的目的是提供一種能利用太陽光能量的成本低廉的金屬氧化物修飾TiO₂納米管電極及其制備方法。

本發明采用陽極氧化、陰極電沉積和堿溶液陽極氧化三步法制備金屬氧化物修飾TiO₂納米管電極。本發明制備方法步驟如下：

(1)陽極氧化法制備TiO₂納米管

將純鈦板打磨至表面平整，依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗。采用恒電位法，以鈦板為陽極，銅片或不銹鋼為陰極，在含可溶性氟化鹽和可溶性硫酸鹽的水溶液中，或含可溶性氟化鹽的乙二醇溶液中，以恒定電壓對陽極氧化；將制得的樣品用去離子水沖洗、風干，在空氣氛下以恒定速度升溫到400℃～500℃后恒溫退火處理、冷卻，得TiO₂納米管陣列電極。

所述的可溶性氟化鹽優選為NH₄F、NaF或KF，所述的可溶性硫酸鹽優選為(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄或K₂SO₄；所述的含可溶性氟化鹽的乙二醇溶液優選為含NH₄F的乙二醇水溶液，其中乙二醇與水體積比為99∶1。

陽極氧化的電壓優選為10～30V，氧化時間優選為5～20h。空氣氛下的升溫速度優選為1～10℃/min。

(2)陰極電沉積法制備金屬沉積TiO₂納米管電極：

將TiOx納米管陣列電極浸漬在含有金屬Rⁿ⁺離子的金屬R鹽溶液中超聲，然后將TiO₂納米管陣列電極轉移到可溶性硫酸鹽水溶液中，以TiO₂納米管陣列電極作為陰極，鉑片為陽極，電解液溫度60℃～90℃，恒定電壓下電沉積5-30min，金屬R沉積到TiO₂的微孔中。經過多次重復的超聲和沉積過程后風干，即得到所需沉積量的R/TiO₂電極。

所述的恒定電壓優選為1-10V。所述的超聲和沉積重復次數為1-10次。