[发明专利]金纳米粒子修饰树枝状二氧化钛纳米棒阵列电极及其制备方法和光电解水制氢应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电化学技术领域，具体的说，是涉及一种纳米棒阵列电极及其制备方法。 

背景技术

太阳能转化为氢能，在化石燃料日益枯竭及环境污染严重的当今社会备受关注¹。二氧化钛（TiO₂）在自然界中储备量大、耐腐蚀性好、价廉无毒，具有优越的光催化及光电催化性能，广泛应用于光催化及光电解水制氢的领域²。然而，TiO₂在光照条件下光生电子-空穴复合极快，光电催化活性较低；同时，TiO₂的禁带宽度为3.2ev，带隙较宽，其光吸收范围限制在紫外光区（仅占发生光总能量的5%），因而TiO₂作为光电阳极材料，难以高效利用太阳光，其光电效率很低。 

近年来，取向良好的一维单晶宽带隙半导体纳米棒阵列或纳米阵列受到越来越多的关注。它的优点是能够为光生电子传输提供直接路径，从而增大电子传输速率。单晶的TiO₂纳米棒阵列(TiO₂NRs)或纳米线阵列作为光电阳极有很大的优势³。与传统的TiO₂纳米棒阵列相比，树枝状的TiO₂纳米棒阵列(TiO₂B-NRs)结构因良好的电荷传输性能和太阳光吸收性能引起了人们的广泛关注。HuaWang等人⁴合成了树枝状TiO₂纳米棒并将其应用于染料敏化太阳能电池。美国斯坦福大学的Jaramillo课题组⁵合成的树枝状的TiO₂纳米棒阵列薄膜在光解水制氢中表现出了优越的性能，在外界偏压为0.6V，380nm处，光电转化效率达到了67%。尽管树枝状的TiO₂纳米棒在电子传输方面相比于TiO₂纳米颗粒展现了优越的性能；树枝状的TiO₂纳米棒相对于TiO₂纳米棒表面积也大大提高，但其仍有不可避免的缺点：由于其禁带宽度较大，仍只能利用紫外光。 

近年来贵金属负载TiO₂作为对TiO₂光催化活性提升的一种有效手段，引起研究者的广泛关注。Au纳米粒子修饰TiO₂半导体材料，一方面由于Au与TiO₂费米能级的不同，形成了在Au与TiO₂形成俘获电子的浅势阱Schottky能垒，从而有效抑制了TiO₂内部的光生电子-空穴对的复合；另一方面，因Au独特的纳米粒子表面等离子体共振（SPR）效应，增加了 材料在可见光区的光吸收。Silva,C.G等人⁶研究了金纳米颗粒负载在P25粉末上，这种光催化剂在500nm到650nm都有很强的吸收，在光解水制氢过程中紫外光区和可见光区都展现了优越的性能。 

(1)Messinger,J.Chem Sus Chem2009,2,47-48. 

(2)Shankar,K.;Basham,J.I.;Allam,N.K.;Varghese,O.K.;Mor,G.K.;Feng,X.;Paulose,M.;Seabold,J.A.;Choi,K.-S.;Grimes,C.A.J.Phys.Chem.C2009,113,6327-6359. 

(3)Hoang,S.;Guo,S.;Hahn,N.T.;Bard,A.J.;Mullins,C.B.Nano Lett2012,12,26-32. 

(4)Wang,H.;Bai,Y.;Wu,Q.;Zhou,W.;Zhang,H.;Li,J.;Guo,L.Phys.Chem.Chem.Phys.2011,13,7008-7013. 

(5)Cho,I.S.;Chen,Z.;Forman,A.J.;Kim,D.R.;Rao,P.M.;Jaramillo,T.F.;Zheng,X.Nano Lett.2011,11,4978-84. 

(6)Silva,C.G.;Juarez,R.;Marino,T.;Molinari,R.;Garcia,H.J Am Chem Soc2011,133,595-602. 

发明内容