[發明專利]一種二元半導體復合光電極及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201910869366.5
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN110724972A
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發明（設計）人: 郭惠霞;于冬梅;蘇策;李亮亮;劉籽燁
• 申請（專利權）人: 西北師范大學
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B1/00;C25B1/04;B01J27/04
• 代理公司: 11279 北京中譽威圣知識產權代理有限公司
• 代理人: 賈慧娜

本發明公開了一種二元半導體復合光電極及其制備方法與應用。本發明方法復合光電極的有效物質的化學式為TiO₂/ZnS；在制備方法上主要為以下步驟：首先采用水熱法在FTO制備TiO₂納米棒得到樣品基片一，然后采用連續離子層吸附法將樣品基片一依次在Zn(NO₃)₂溶液、去離子水、Na₂S溶液、去離子水中循環吸附制備ZnS得到樣品基片二。本發明TiO₂/ZnS復合光電極將光催化反應從紫外光區拓展至可見光區，提高了太陽能的利用效率；其光電流強度與單一TiO₂樣品相比具有顯著地提高，在I?T測試中表明復合光電極有較好的穩定性，其電子空穴轉移率增加，使得光電性能增強。

技術領域

本發明涉及二元半導體TiO₂/ZnS復合光電極，屬于二元半導體領域，具體地說是一種二元半導體復合光電極及其制備方法與應用。

背景技術

光電化學分解水制氫技術被認為是未來解決全球能源危機的一項重要技術，在電化學領域已經逐漸引起人們的注意。在進行光電分解水的過程中，半導體光電極的轉換效率及穩定性是影響整個系統效果的關鍵點。因此，如何獲得性能優異的半導體光電極是該領域的一個重要研究課題。自1972年Honda和Fujishima等人首次報道了n型TiO₂光電極并將其應用于光電化學分解水以來，TiO₂(帶隙寬度：3.0-3.2eV)作為一類性能突出的光解水半導體材料而備受研究者青睞。但是單一TiO₂半導體材料在吸收光之后產生的電子的遷移率較低，電子和空穴的分離效果較差，容易導致光生電荷發生復合，使光解水的性能降低，同時光響應范圍僅在紫外光區，太陽能的利用效率較低，這大大限制了其在光電化學光解水方面的應用。

發明內容

本發明提出的一個目的是提出一種二元半導體復合光電極，旨在解決上述背景技術中現有單一TiO₂半導體材料在吸收光之后產生的電子的遷移率較低，電子和空穴的分離效果較差，容易導致光生電荷發生復合和較短的光響應范圍等問題；

本發明提出的另一個目的是提出一種二元半導體復合光電極的制備方法，以及一種二元半導體復合光電極的應用。

為實現上述目的，本發明所述一種二元半導體復合光電極的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：FTO(導電玻璃基片)預處理：

在反應釜中放置導電玻璃基片即FTO；首先，用濃度為0.01moL/L的洗衣粉溶液超聲(頻率40KHz)清洗5-20min；然后，用去離子水將FTO沖洗；其次，將FTO在去離子水中超聲(頻率40KHz)清洗5-20min至少換水3次；再次，將FTO浸泡在異丙醇中超聲(頻率40KHz)5-20min至少洗兩次；最后，將FTO放入到丙酮中超聲(頻率40KHz)5-20min，得到干凈的FTO，將清洗干凈的FTO置于乙醇中；

步驟二：采用水熱法制備TiO₂納米棒：

在量筒中量取15mL的超純水，置于50mL的燒杯中，在攪拌的過程中緩慢加入15mL濃鹽酸，攪拌5分鐘后，再用移液槍向其中加入500μL的鈦酸四丁酯溶液，然后在室溫下繼續攪拌直至燒杯中混合溶液變澄清；之后，取25mL洗干凈的反應釜，將經預處理后的FTO的導電面朝下傾斜放置在反應釜中，然后量取8mL上述澄清溶液，用吸管緩慢的滴入放有FTO基底的反應釜中；最后，在150℃恒溫鼓風干燥箱中反應5h；待反應結束后，取出反應釜冷卻至室溫，取出覆有TiO₂的FTO基底，分別用去離子水，乙醇沖洗干凈，吹干；最后將其置于管式爐中500℃的溫度下，在空氣氣氛中退火1h，升溫速度為2℃/min，之后密封保存待用；

步驟三：用連續離子層吸附法制備ZnS：