[發明專利]一種TiO2/GQDs/NiS異質結光陽極及其制備方法

有效

• 申請號: 201710385073.0
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107230551B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 劉勇平;楊之書;呂慧丹;耿鵬;林劍飛;米喜紅;林佩怡
• 申請（專利權）人: 桂林理工大學
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04;H01G9/042
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種TiO₂/GQDs/NiS復合光陽極及其制備方法，解決了TiO₂光電轉換效率較低的問題。本發明以鈦片為基體，含有石墨烯量子點的乙二醇、氟化銨水溶液為電解液，通過陽極氧化法，制備出含有石墨烯量子點(GQDs)的TiO₂復合膜。再通過連續離子層吸附?沉淀反應將NiS納米顆粒沉積到TiO₂表面，然后在氮氣管式爐中，退火20min得到TiO₂/GQDs/NiS復合光陽極。TiO₂/GQDs/NiS(浸漬8次)復合膜光電流密度是TiO₂納米管的2倍。本發明方法簡便、易于操作，所制備的TiO₂/GQDs/NiS復合光電極具有很高的光催化活性及穩定性。

技術領域

本發明所屬技術領域為光催化、光電化學材料技術領域，特別涉及二氧化鈦異質結光催化劑開發及制備方法。

背景技術

TiO₂納米管陣列(TNA)由于其高的比表面積，優良的電荷傳輸性能、無毒、催化活性高、化學穩定性和低成本等優點而受到研究者們的青睞。TNA在氣體傳感器、太陽能電池、生物催化劑、生物醫學植入材料和鋰離子電池等方面的應用是很吸引人的。然而TiO₂僅能吸收500nm以下波長的太陽光，無法充分利用太陽光的能源；并且光生電子空穴對易于復合，導致光電轉換效率較低，在實際應用中仍有許多地方有待改進和完善。因此對TiO₂光敏半導體通過改性形成異質結，以提高其光電化學性能。對光催化活性具有重要意義。

GQDs具有很強的sp²雜化碳結構，因此其穩定性非常好，在高強度紫外光條件下也不發生化學變化。而且石墨烯量子點是非金屬的碳材料結構，穩定性好、成本低、污染小、在各方面都有很大的應用前景。然而，GQDs的研究還處于早期階段，這種材料的潛能還沒有完全探索出來，因此針對GQDs獨特的物理化學性質，將GQDs與TiO₂光敏半導體材料進行復合改性。

硫化鎳是一種窄帶隙的直接半導體，吸光系數較高，被應用于太陽能電池、光電導元件、光電設備的光敏薄膜、光敏涂料和紅外探測器等。特別地，NiS因其帶隙比較窄而具有非常寬的吸收光譜，使其成為一種高效的半導體光催化劑材料。所以本專利中將NiS作為助催化劑與TiO₂構建異質結催化劑，以提高TiO₂的光電化學性能及穩定性。

發明內容

本發明的目的是提供一種可見光催化劑納米TiO₂/GQDs/NiS光陽極及其制備方法，該方法操作簡便、易于操作，所制備的TiO₂納米管復合膜具有很高的光催化活性。

具體步驟為：

(1)陽極氧化合成TiO₂納米管，將鈦片分別在丙酮、乙醇、蒸餾水中各超聲15分鐘。電解液為0.3wt％的氟化銨和2wt％的蒸餾水以及100mL的乙二醇，向電解液中加入5～50mL的石墨烯量子點，設置直流穩壓電源輸出電壓為 20～100V，陽極氧化時間進行0.5～5h后結束。最后將陽極氧化試片用蒸餾水沖洗，冷風吹干，得到包含GQDs的TiO₂納米管陣列膜。

(2)將步驟(1)中制備的光陽極浸入0.03M的乙醇化的鎳鹽溶液中 0.5～5min，然后用乙醇沖洗掉樣品表面過量松散的吸附離子，再將光電極浸入 0.03M的硫源和甲醇水溶液中2～6min，硫源：甲醇體積比為1:1。最后將樣品試片用蒸餾水沖洗，冷風吹干，保存待處理。

(3)將步驟(2)中的樣品試片置于管式爐中，將管式爐中抽成真空，再充入氮氣，待管式爐中充滿氮氣后，以5℃/min的升溫速率升溫至300～600℃，退火2h，待其降溫后取出，得到鈦箔表面沉積TiO₂/GQDs/NiS復合膜光陽極。