[發(fā)明專利]一種增強(qiáng)TiO2電極電化學(xué)性能的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310095453.2
• 申請(qǐng)日: 2013-03-22
• 公開（公告）號(hào): CN103165283A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱緒飛;吳慧;楊斌;宋曄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G4/008
• 分類號(hào): H01G4/008;C25D11/26
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種簡便、廉價(jià)、高效的增強(qiáng)TiO₂電極電化學(xué)性能的方法。該方法能增強(qiáng)TiO₂作為儲(chǔ)能器件電極，太陽能電池電極以及光電催化材料的性能，同時(shí)可作為良好的導(dǎo)電材料應(yīng)用于其它領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著全球信息化和工業(yè)化的快速發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)、微型電子器械和移動(dòng)通訊設(shè)備日益普及，迫切需要高性能的存儲(chǔ)器備用電源。另一方面，燃油汽車的消費(fèi)造成能源匱乏和嚴(yán)重的環(huán)境污染，這促使人們?cè)O(shè)計(jì)生產(chǎn)低能耗和低排放電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。但目前常用的二次電池由于功率密度不足，無法獨(dú)自滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力要求，需要高功率密度的超級(jí)電容器配合使用。同時(shí)，人們一直在尋求新的潔凈能源和減輕環(huán)境污染的方法，如H₂能燃燒放出大量能量且產(chǎn)物是水，水又能重復(fù)利用產(chǎn)生H₂，整個(gè)循環(huán)過程沒有任何污染。但是如何簡便且廉價(jià)地制備出H₂一直難以解決。TiO₂由于具有半導(dǎo)體性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低廉、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，不僅是一種可用于電化學(xué)儲(chǔ)能器件的超級(jí)電容電極材料，而且是一種很有發(fā)展前途的光電催化材料，可應(yīng)用于光電催化分解水制備H₂和降解引起環(huán)境污染的有機(jī)物。因此，TiO₂作為儲(chǔ)能器件、太陽能電池或光電催化系統(tǒng)的電極材料，成為全球范圍內(nèi)無論是學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

然而，當(dāng)直接使用本征態(tài)的TiO₂作為儲(chǔ)能器件電極或光催化電極時(shí)，其電化學(xué)性能較差。例如，TiO₂納米顆粒制備成超級(jí)電容電極時(shí)，僅呈現(xiàn)出較低的雙電層電容，容量為10-40μF/cm²，這主要是由本征態(tài)TiO₂的低電導(dǎo)特性所致。此外，TiO₂納米顆粒用作光電催化電極時(shí)，其光吸收效率不到3%，且催化效率低。這又與TiO₂能隙較寬（3.2?eV），只對(duì)紫外光有響應(yīng)以及載流子復(fù)合過快等因素有關(guān)。

可見，提高TiO₂的電導(dǎo)率是增強(qiáng)其作為儲(chǔ)能器件電極性能的關(guān)鍵。為了提高TiO₂的電導(dǎo)率和電化學(xué)性能，目前主要采用引入金屬（ZK?Zheng,?et?al.?Journal?of?Materials?Chemistry?21?(2011)?9079）或非金屬雜質(zhì)（X?Chen,?et?al.?Chemical?Reviews?107?(2007)?2891）的方法在TiO₂能隙中產(chǎn)生受主或施主態(tài)，從而降低禁帶寬度達(dá)到提高電導(dǎo)率的目的。然而，由于摻雜劑的引入而造成的諸如載流子復(fù)合以及熱和電化學(xué)的不穩(wěn)定性問題仍難以解決（R?Asahi,?et?al.?Science?293?(2001)?269）。另一方面，通過在TiO₂晶格中引入氧空位（Ti³⁺位）產(chǎn)生施主態(tài)的自摻雜也能調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，這種自摻雜方法可以極大地提高TiO₂對(duì)可見光到紅外光的響應(yīng)、它的電導(dǎo)率及電化學(xué)活性。但是，迄今最有效的自摻雜方法都是在高溫下進(jìn)行（XH?Lu,?et?al.?Nano?Letters?12?(2012)?1690;?XD?Jiang,?et?al.?Journal?of?Physical?Chemistry?C?116?(2012)?22619）或需要長時(shí)間的處理過程（XB?Chen,?et?al.?Science?331?(2011)?746）。因此，找到一種簡便、廉價(jià)、高效的方法增強(qiáng)TiO₂電化學(xué)性能是解決問題的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種簡便、廉價(jià)、高效的增強(qiáng)TiO₂電極電化學(xué)性能的方法，使TiO₂電極材料能滿足儲(chǔ)能器件、光電催化、太陽能電池、光致變色等領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種簡便、廉價(jià)、高效的增強(qiáng)TiO₂電極電化學(xué)性能的方法，對(duì)所制備的TiO₂電極進(jìn)行反向加電壓處理：即以晶態(tài)的TiO₂電極為陰極，碳棒為陽極的兩電極體系中，電解液濃度為0.1-2?M，常溫下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)處理，兩電極間間距為0.5-10?cm、施加電壓為2-10?V和反應(yīng)處理時(shí)間為5-360?s。