[发明专利]一种氧化锌纳米铅笔阵列电极及其制备方法和应用

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

氢能因其具有高能清洁等优点在化石能源日益枯竭的今日受到了广泛关注；太阳能由于其取之不竭、洁净无污染等优点在能源规划中占据举足轻重的地位。太阳能光电化学池分解水制氢作为一种新型的制氢方法，真正实现了环境无污染且能源合理利用。氧化锌（ZnO）作为一种n型半导体氧化物，具有结构形貌可设计性强和成本低廉等诸多优点，备受关注。然而，ZnO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，ZnO的禁带宽度约为3.37eV，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ZnO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ZnO纳米棒阵列或纳米线阵列作为光电阳极有很大的优势。目前，人们为了探索和拓展新的ZnO的结构形貌，作了一些尝试和努力。费广涛课题组曾通过阳极电沉积和高温气相沉积的方法成功制备了一维ZnO纳米铅笔阵列结构，但是高温气相沉积工艺复杂，条件苛刻（反应温度为900～1000℃），对设备要求较高，而且制得的ZnO铅笔尺寸较大，ZnO主干纳米棒长约10μm，直径约1μm；ZnO针状尖端直径约100nm，长度约1.5μm，与一般的纳米尺寸的ZnO纳米棒相比，不具备颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高的优势，在催化反应中的催化活性较低。

发明内容

本发明要解决的是目前的ZnO光电阳极材料难以高效利用太阳光，光电效率低的技术问题，提供一种氧化锌纳米铅笔阵列电极及其制备方法和应用。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种氧化锌纳米铅笔阵列电极，ZnO主干纳米棒顶端生长有ZnO针状尖端，所述ZnO主干纳米棒的直径为80-200nm，长度为1-2.5μm；所述ZnO针状尖端的直径为20-40nm，长度为50-400nm。

优选地，所述ZnO主干纳米棒的直径为100-150nm，长度为1-1.5μm；所述ZnO针状尖端的直径为20-30nm，长度为200-250nm。

一种氧化锌纳米铅笔阵列电极的制备方法，该方法按照以下步骤进行：

(1)ZnO种子层的制备

以FTO导电玻璃为基底；将浓度为5-10mmol/L的二水合醋酸锌的乙醇溶液均匀涂覆在FTO导电玻璃上，在空气气氛下焙烧，制得ZnO种子层；

(2)ZnO纳米棒阵列的制备

以涂有ZnO种子层的FTO导电玻璃为基底；采用锌源前驱体溶液；在温度为85-95℃的条件下，通过液相合成2-5小时制备ZnO纳米棒阵列；洗涤，干燥；

所述锌源前驱体溶液为六水合硝酸锌、六次甲基四胺、去离子水的混合液，其中锌离子与六次甲基四胺的浓度均为40-60mmol/L；

所述液相合成是将涂有ZnO种子层的一面朝下，浸于所述锌源前驱体溶液中且接近液面处进行向下生长的过程；

(3)ZnO纳米铅笔阵列的制备

以ZnO纳米棒阵列为模板；采用锌源与抗坏血酸的混合水溶液；在温度为85-95℃的条件下，液相合成2-8小时制得ZnO纳米铅笔阵列；洗涤，干燥；

所述锌源与抗坏血酸的混合水溶液为六水合硝酸锌、六次甲基四胺、抗坏血酸、去离子水的混合液，其中锌离子与六次甲基四胺的浓度均为3-10mmol/L，抗坏血酸的浓度为0.15～0.375mmol/L；

所述液相合成是将长有ZnO纳米棒阵列的一面朝下，浸于溶液中且接近液面处进行向下生长的过程。

优选地，步骤(1)的涂覆采用滴涂-干燥法，所述滴涂-干燥法是将二水合醋酸锌乙醇溶液均匀的滴涂到FTO导电玻璃上，干燥，以上操作重复5-10次。

优选地，步骤(1)所述的焙烧温度为350℃，焙烧时间为30-60分钟。

优选地，步骤(2)所述的液相合成条件为温度90℃，时间3小时。

优选地，步骤(2)所述的锌源前驱体溶液中锌离子与六次甲基四胺的浓度均为50mmol/L。

优选地，步骤(3)所述的液相合成条件为温度90℃，时间8小时。

优选地，步骤(3)所述的锌源与抗坏血酸的混合水溶液中锌离子与六次甲基四胺的浓度均为5mmol/L，抗坏血酸的浓度为0.1875mmol/L。