[發(fā)明專利]一種真空碳摻雜二氧化鈦納米管陣列結(jié)構(gòu)的制備方法和應(yīng)用

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202210194625.0
• 申請日: 2022-03-01
• 公開（公告）號(hào): CN114457367A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳燕鑫;童美虹;林世偉;盧燦忠
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門稀土材料研究所
• 主分類號(hào): C25B11/063
• 分類號(hào): C25B11/063;C25B11/091;C25B1/04
• 代理公司: 福州智理專利代理有限公司 35208
• 代理人: 王義星

本本發(fā)明公開了一種真空碳摻雜二氧化鈦納米管陣列結(jié)構(gòu)的制備方法和應(yīng)用，采用二次電化學(xué)陽極氧化法，在浸泡乙二醇的前提下，用管式爐進(jìn)行真空退火。乙二醇將在二氧化鈦納米管表面上形成一層超薄碳?xì)ぃ瑫r(shí)保持有序納米管陣列結(jié)構(gòu)。對(duì)制備的真空摻碳改性二氧化鈦納米管陣列光電陽極材料進(jìn)行了一系列表征與光電催化性能測試，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的光電催化性能，光電流有了很大提升。可見光范圍波長吸收增強(qiáng)，提高了太陽光的利用率，其合成方法簡單、反應(yīng)條件易控制，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以通過簡單方法進(jìn)行二氧化鈦材料的碳摻雜改性，為提升二氧化鈦材料光電催化性能的研究提供了全新的思路，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種真空碳摻雜二氧化鈦納米管陣列結(jié)構(gòu)的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

全球變暖和環(huán)境污染是人類社會(huì)面臨的兩大難題，其中二氧化碳是造成全球變暖的最主要溫室氣體之一。為了減少排放到大氣中的二氧化碳總量，使用可再生的清潔能源替代傳統(tǒng)化石能源是大勢所趨。其中，太陽能作為所有清潔和可再生能源之母，在解決能源和環(huán)境問題方面具有巨大的潛力。雖然到達(dá)地球表面的太陽輻射總能量可以完全滿足全球人類日常能源消耗。但是，太陽能所固有的時(shí)空分布間歇性和地理分布的不均勻性，以及現(xiàn)有半導(dǎo)體材料極低的光電轉(zhuǎn)換效率，都極大地削弱了其實(shí)用效果。理想中的新一代太陽能收集和存儲(chǔ)系統(tǒng)必須更節(jié)能高效，更具成本效益。將太陽能轉(zhuǎn)換為氫能并加以存儲(chǔ)和利用是解決能源與環(huán)境問題的一個(gè)有效的方案。

自從1972年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光電化學(xué)（PEC）分解水反應(yīng)可同時(shí)獲得氫氣與氧氣之后，通過光電化學(xué)分解水制氫就成為了一種具有重要研究價(jià)值的綠色氫能生產(chǎn)方案。與傳統(tǒng)高能耗的電解水制氫技術(shù)和低效率的光催化分解水制氫技術(shù)相比，光電化學(xué)分解水制氫方法可以利用極小的外加能量輸入，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料接近100%的光生載流子分離效率，是一種理想而高效的將太陽能轉(zhuǎn)化為氫氣的方法，受到各國科學(xué)家的極大關(guān)注。

隨著基于金屬氧化物的光電陽極材料制備方法的不斷發(fā)展進(jìn)步，PEC分解水制氫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的從太陽能到氫的轉(zhuǎn)換效率（STH）也在不斷取得突破和提高。一系列的光催化n型半導(dǎo)體陽極材料已被開發(fā)并用于高效轉(zhuǎn)換太陽能。理想的光陽極材料需符合制備成本低廉，化學(xué)穩(wěn)定性良好，環(huán)境友好，載流子遷移速率高以及界面電荷轉(zhuǎn)移快速等要求。其所處導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置還必須充分滿足水分解的條件。

作為一種典型的n型半導(dǎo)體，二氧化鈦由于其合適的帶隙、低成本、無毒、耐酸堿穩(wěn)定性好和制備方便等優(yōu)點(diǎn)，已被作為PEC水分解的主要光陽極材料受到廣泛研究。然而，二氧化鈦本身仍存在一些固有的缺陷，如較寬的禁帶導(dǎo)致可見光吸收較差、可利用的光譜范圍被局限于紫外光區(qū)域，載流子快速復(fù)合、電子電導(dǎo)率低等，這些都極大地限制了其在實(shí)際光電催化水分解的應(yīng)用中發(fā)揮性能。

通過電化學(xué)陽極氧化刻蝕法制備的二氧化鈦陣列材料，其表面形成有序納米管陣列結(jié)構(gòu)，得益于其對(duì)光的多重反射所帶來的多重光吸收效應(yīng)，以及薄管壁帶來的導(dǎo)電性改善，二氧化鈦納米管陣列表現(xiàn)出極好的定向電荷輸運(yùn)特性，克服了傳統(tǒng)二氧化鈦納米粉末由于在顆粒接觸位置電子傳輸結(jié)構(gòu)紊亂而導(dǎo)致的自由電子散射擴(kuò)大、電子遷移率低的缺點(diǎn)。電化學(xué)陽極氧化法具有技術(shù)簡單成熟，易于控制納米管的尺寸和形狀等優(yōu)點(diǎn)。為了將二氧化鈦納米管可利用的光譜范圍從紫外光區(qū)擴(kuò)展到可見光區(qū)，并拓展二氧化鈦的可見光響應(yīng)范圍，選擇通過利用碳元素對(duì)二氧化鈦納米管材料進(jìn)行改良。

本發(fā)明通過二次電化學(xué)陽極氧化法加上真空退火技術(shù)制備出一種碳摻雜二氧化鈦納米管陣列光電陽極結(jié)構(gòu)，在PEC電解池中表現(xiàn)出良好的可見光吸收性能，提高了光轉(zhuǎn)換效率。通過改變退火過程中氣氛條件，由常見的空氣/惰性氣體退火變成真空退火來實(shí)現(xiàn)碳元素的引入。摻雜方法簡單方便，不需要特別繁瑣的步驟即可達(dá)到改性要求。成本低，操作簡單，無需復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，且單批次可同步制備9片改良的二氧化鈦有序納米管陣列材料，制備效率高、重復(fù)性好。為優(yōu)化二氧化鈦光電陽極材料的性能提供了新的思路，具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容