[發(fā)明專利]一種MXene量子點(diǎn)活化的一維二氧化鈦納米復(fù)合光陽極的制備及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110730959.0
• 申請(qǐng)日: 2021-06-30
• 公開（公告）號(hào): CN113436896B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖方興;李申;朱詩成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G9/20
• 分類號(hào): H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 吳姍姍;蔡學(xué)俊

本發(fā)明屬于光電極材料制備和光電催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種MXene量子點(diǎn)活化的一維TiO₂納米復(fù)合光陽極的制備及其應(yīng)用，通過靜電層層自組裝的方式，使得MXene量子點(diǎn)，非共軛聚電解質(zhì)PDDA以及一維TiO₂納米棒陣列組合在一起，構(gòu)成多層異質(zhì)結(jié)光陽極，并應(yīng)用于光電催化分解水。本發(fā)明首次將MXene量子點(diǎn)用于活化聚電解質(zhì)包覆的一維TiO₂納米結(jié)構(gòu)，所制得的光陽極具有高效的光電催化能力，且MXene量子點(diǎn)的負(fù)載量可通過調(diào)控自組裝層數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明整體制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)原理可靠，有利于環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電極材料制備和光電催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種MXene量子點(diǎn)活化的一維TiO₂納米復(fù)合光陽極的制備方法以及其在光電催化分解水方面的應(yīng)用。

背景技術(shù)

20世紀(jì)70年代初，日本的Fujishima和Honda首次發(fā)現(xiàn)了TiO₂可以用來光電催化分解水產(chǎn)氫，自此半導(dǎo)體光催化及光電催化分解水產(chǎn)氫拉開帷幕。

針對(duì)現(xiàn)有的金屬氧化物半導(dǎo)體，TiO₂因其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，無毒性以及低成本性而被廣泛作為基準(zhǔn)半導(dǎo)體應(yīng)用于光電催化反應(yīng)中。其中從導(dǎo)電襯底直接生長(zhǎng)出來的一維納米結(jié)構(gòu)的TiO₂最為典型，其結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是高度有序的納米結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)的比表面積和沿一維骨架垂直方向改進(jìn)的電荷分離/轉(zhuǎn)移。但是，由于TiO₂受光激發(fā)后，其光生載流子會(huì)快速的進(jìn)行重復(fù)合，因此限制了其在光電催化領(lǐng)域的高效應(yīng)用。對(duì)此，過去十年，大量的工作致力于降低TiO₂的光生載流子復(fù)合效率。

非共軛聚電解質(zhì)聚二烯丙基二甲基氯化銨PDDA具有遷移電子的特性，因此利用PDDA包覆納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，有利于構(gòu)建空間上的電子傳輸通道，從而對(duì)光激發(fā)電子進(jìn)行快速分離與遷移。與此同時(shí)，MXene量子點(diǎn)作為0維材料因其費(fèi)米能級(jí)低于絕大部分半導(dǎo)體的導(dǎo)帶位置，所以易與半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基結(jié)，從而引發(fā)光生電子自半導(dǎo)體流向MXene量子點(diǎn)。另外，MXene量子點(diǎn)因其具有較高的比表面積和獨(dú)特的電子接收特性，所以可以作為良好的助催化劑材料。因此，協(xié)同PDDA和MXene量子點(diǎn)可有效地在半導(dǎo)體基底上構(gòu)建一條連續(xù)的電子轉(zhuǎn)移通道。

層層自組裝技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的自上而下的技術(shù)，通過利用靜電相互作用，使得帶相反電荷的組裝單元可以實(shí)現(xiàn)在基底物質(zhì)上的精確交替沉積，每種組裝單元的負(fù)載量可以通過調(diào)整裝配層數(shù)和裝配順序來實(shí)現(xiàn)精密調(diào)控。因此層層自組裝技術(shù)在構(gòu)建多層納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)方面，已得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，且可控性較強(qiáng)的MXene量子點(diǎn)活化的一維TiO₂納米復(fù)合光陽極的制備方法以及其在光電催化分解水方面的應(yīng)用，制備好的TiO₂/(PDDA/MQDs)_n(n＝1,2,4,6,8，其中n代表層數(shù))光陽極在模擬太陽光的照射下，相比于純TiO₂基底展現(xiàn)出突出的光電催化分解水的能力，并且隨著自組裝層數(shù)的改變，光電催化的效力也會(huì)隨之改變。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種MXene量子點(diǎn)活化的一維TiO₂納米復(fù)合光陽極，是以原位生長(zhǎng)于FTO玻璃上的TiO₂納米管陣列作為基底半導(dǎo)體，通過靜電相互作用力，使得帶正電荷的非共軛聚電解質(zhì)PDDA與帶負(fù)電荷的MXene量子點(diǎn)交替沉積在TiO₂基底之上，通過調(diào)控沉積層數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于組裝單元的負(fù)載量的控制，以探索出最佳層數(shù)或負(fù)載量。所制得的多層異質(zhì)結(jié)光陽極在模擬太陽下具有高效的光電催化分解水能力。

所述MXene量子點(diǎn)活化的一維TiO₂納米復(fù)合光陽極的制備方法，包括以下步驟：其包括以下步驟：

(1)TiO₂納米棒陣列的制備