[发明专利]大孔二氧化锡-二氧化钛纳米管复合电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料化学、环境化学和光电催化技术领域，尤其是涉及一种具有光电一体化催化功能的大孔二氧化锡-二氧化钛纳米管复合电极材料及其制备方法。

背景技术

电催化和光催化作为两种不同的高级氧化技术，越来越多的环境科学工作者将其应用于有机废水的降解处理。光催化和电催化都有着鲜明的催化特性和不同的能量转化形式。如果这两种高级氧化技术能够同时在同一电极表面实现，有望在两种催化反应之间实现协同作用，有利于提高电极的光电催化氧化能力和降解效率。因此，该项技术的重点也是难点，是需要找到或者构筑同时具有优异电催化性能和光催化性能的催化电极材料。

二氧化钛是一种优良的光催化剂，其中直立有序的钛基二氧化钛纳米管(TiO₂NTs)比其他结构的TiO₂更加高效，可以容易地通过电化学阳极氧化方法制得。这种高度有序阵列排布的TiO₂NTs具有较大的比表面积和高的表面能，因此它具有较高的光催化效率。然而，TiO₂具有低的导电性能和差的电催化能力，因此TiO₂NTs适合作为一种高效率的光催化剂，但不适合作为电催化剂。从电化学氧化角度来讲，尺寸稳定阳极(DSA)的由于具有低的析氯电位而在氯碱工业得到广泛应用。但是，由于DSA的析氧电位较低而无法广泛应用到污染物的处理方面。而掺锑二氧化锡阳极涂层电极具有较高的析氧电位和优异的电催化性能，能减少在水解反应析氧的能耗，进而提高电流效率，因此它非常适合使用在电化学氧化合成，尤其是在水介质中的电化学氧化和难生化污染物的环境降解。二氧化锡是一种半导体材料，禁带宽度为3.88eV，虽然其是良好的电催化剂，但是其光催化效率很低，且对紫外光有截止效应。

我们考虑到可以充分利用TiO₂NTs的结构，它可以作为一个理想的“容器”或“支撑”从微观结构上组装掺锑二氧化锡电催化剂，进而构筑出新颖结构的光电催化剂材料。通过溶胶凝胶的浸渍或旋涂等方法可以很容易的将掺杂锑的二氧化锡组装到TiO₂NTs内部和表面，很容易制备得到SnO₂/TiO₂-NTs催化剂。然而，少量锑必须掺入SnO₂以提高其电催化性能，但Sb的掺杂会影响TiO₂NTs的光吸收。因此，我们着手将二维大孔SnO₂组装到一维的TiO₂NTs上构筑出新颖结构的光电催化剂材料，嵌段共聚物自组装成有序液晶(LC)结构作为软模板，然后将Sb掺杂的SnO₂组装到TiO₂NTs上。软模板通过焙烧去除后，制备得到二维有序大孔SnO₂。该催化剂的制备是一步组装过程，工序简单和省时。所得的该结构的复合电极材料有以下优点。首先，这种大孔的SnO₂膜有利于光的通过和TiO₂NTs对紫外光的吸收；其次，根据能带理论SnO₂和TiO₂之间是反相掺杂，该组合适于光生电子和空穴的分离，提高了光电转换效率；最后，该制备方法赋予了SnO₂粒径小、有序排列和负载量大的特点，这些将大大提高催化剂的电催化性能。该电极材料的的研发不但具有重要的理论意义，而且满足了实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电化学阻抗减少，光电转化效率以及光电催化氧化降解效率提高的大孔二氧化锡-二氧化钛纳米管复合电极材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

大孔二氧化锡-二氧化钛纳米管复合电极，其特征在于，该复合电极内层为钛基底，表层为SnO₂和TiO₂NTs的复合层，该层中SnO₂与钛基TiO₂NTs骨架结合紧密，SnO₂膜呈通透大孔状，复合电极表面光滑平整，光吸收波长范围拓宽到425nm，禁带宽度为2.93eV。

所述的钛基底的厚度为0.1～0.5mm，所述的SnO₂和TiO₂NTs的复合层的厚度为500～800nm，SnO₂粒径为10～20nm。