[發明專利]一種體相Nb摻雜協同表面CdS敏化鈦基復合光陽極的制備方法

在審

• 申請號: 202210469764.X
• 申請日: 2022-04-30
• 公開（公告）號: CN114908367A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 董振標;秦冬梅;馬俊杰;張偉業;劉旭輝;董安平;翟長生;韓生
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: C25B11/04
• 分類號: C25B11/04;C25B11/091;C25B1/04;C25B1/55;C25D11/26;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 山東明宇知信知識產權代理事務所(普通合伙) 37329
• 代理人: 王振一

本發明采用體相Nb摻雜協同表面CdS光子晶體敏化策略，構筑了新型高效光解水的CdS/Ti?Nb?O復合光陽極。具體提供了一種體相Nb摻雜協同表面CdS敏化鈦基復合光陽極的制備方法，主要包括以下步驟：先對Ti?Nb合金進行陽極氧化處理，然后晶化處理，即可得到Ti?Nb?O納米管陣列；采用連續離子層吸附反應方法負載CdS并在氮氣氛中退火2h即可得到CdS/Ti?Nb?O納米管陣列復合光陽極。本發明設計的CdS/Ti?Nb?O納米管陣列復合光陽極制備工藝簡單、成本低廉，光電流密度和光制氫效率分別為本征TiO₂的13.6倍和30.4倍，顯著提升光電化學性能。

技術領域

本發明涉及光電催化技術領域，具體的涉及一種體相Nb摻雜協同表面CdS敏化鈦基復合光陽極的制備方法。

背景技術

光電催化水分解制氫是解決能源危機和環境污染的理想途徑之一。開發設計高性能光陽極體系對實現高效光制氫轉換具有重要科學價值和現實意義。不同的光催化材料的選擇對構筑高性能的光陽極體系有著深遠影響，在常用的光催化材料中，金屬氧化物(ZnO,Fe₂O₃,Cu₂O,TiO₂等)因其合適的帶邊位置、可調控的禁帶寬度、價格低廉等優點而備受關注，在這些材料中，ZnO和Cu₂O存在穩定性問題，而Fe₂O₃的導帶位置偏正，光生電子的還原能力有限導致光解水效率較低。相比之下，納米TiO₂具有廉價無毒、化學性質穩定、帶邊位置與水的分解電勢相匹配等優點，是一種較為理想的光解水制氫材料，然而，其較寬的帶隙(銳鈦礦相為3.2eV，金紅石相為3.0eV)導致光吸收性能較差，同時，電子空穴對復合較快和光生載流子傳輸效率較低等問題導致TiO₂光制氫效率較低。

元素摻雜作為改變TiO₂電子結構的重要方法得到了大量的研究，TiO₂中的鈦離子和氧離子可以被摻雜的金屬或非金屬離子取代，從而在TiO₂帶隙中形成雜質能級，有效促進光吸收性能。由于Nb⁵⁺與Ti⁴⁺的半徑較近，因此Nb⁵⁺很適合作為摻雜劑(ChemNanoMat,2(7),2016,660–664)，Nb摻雜TiO₂后，Nb 4d軌道與Ti 3d軌道雜化可以形成雜化能級，降低了禁帶帶寬，從而促進了電子的轉移和傳輸。研究表明(ACS Sustainable Chem Eng,2016,4:746-56)，Nb摻雜可使TiO₂的電導率增加三個數量級，提高了材料的電荷傳輸效率。因此體相Nb摻雜是提高TiO₂光電性能的一種良好方法。制備Nb摻雜的技術有多種，比如：水熱法(參見中國發明專利CN109301034B，CN108550701B)、溶膠-凝膠法(參見中國發明專利CN103274681A)、原子層沉積法(ALD)(Journal of Vacuum ScienceTechnology A,2020,38(2))等。但是由于Nb摻雜對拓寬TiO₂的可見光吸收范圍作用有限，因此摻雜后的光陽極材料增強的光電化學性能也比較有限。