[发明专利]响应可见光和红外光的氮掺杂二氧化钛光电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源新材料领域以及电化学、光电催化领域。

背景技术

二氧化钛（TiO₂）作为一种新型的高性能才材料，对人体无毒无害，耐酸碱，耐腐蚀，催化活性高，价格低廉，在太阳能敏化电池、半导体、传感材料、流体净化、储能制氢等领域具有广阔的应用前景。

二氧化钛（anatase）的禁带宽度为3.2ev，仅在波长小于或等于387.5 nm的紫外光照射下，表现出较高的光催化活性。整个太阳光中，波长小于400nm的紫外光部分占7%，0.4-0.76um的可见光部分占50%，大于0.76um的红外光占43%，红外光又包含近红外（0.76-2.5um）、中红外(2.5-25um)和远红外光(>25um)，地面能够检测到的太阳光波长范围是295-2500nm，因此，二氧化钛对太阳光的利用率很低。为了解决以上问题，研究者们对二氧化钛进行掺杂改性，拓宽二氧化钛的吸收波长范围，提高对太阳光的利用率。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有二氧化钛对光的吸收波长范围窄，几乎不响应可见光和红外光的问题，而提供一种能响应可见光和红外光的氮掺杂二氧化钛光电极及其制备方法，对太阳光的响应范围到达近红外区域，最大吸收值出现在1769nm。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种响应可见光和红外光的氮掺杂二氧化钛光电极，所述氮掺杂二氧化钛光电极在紫外可见吸收光谱图中最大吸收值为1769nm，对太阳光的吸收到达近红外区域。

一种响应可见光和红外光的氮掺杂二氧化钛光电极的制备方法，依次包括以下步骤：

（1）      钛基底预处理。

预处理主要包括脱脂清洗和化学抛光两个部分，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水对其进行脱脂清洗,主要是为了去除钛基底表面的油脂类物质，以避免阳极氧化过程中引入杂质和减小对二氧化钛结晶度的影响；进行化学抛光为了使得制备的光电极表面更均匀。

（2）      电解液的配置：电解液由5～30wt%的去离子水、5～30wt%的硝酸和其余为乙二醇相混合而成；所述硝酸按质量百分比为67.5%的硝酸计，乙二醇按分析纯试剂计。

电解液中水的含量主要影响电解液的电导率，硝酸在其中不仅仅提供氮源，同时影响电解液的电导率，乙二醇主要是影响电解液的黏度，含水量较高，将会提高电解液的电导率，光电极表面将会出现崩塌，硝酸含量较高，腐蚀作用增强，不能形成微孔结构，从而影响光电极比表面积，进而影响整个光电极的催化活性以及光电极表面形貌。

（3）将钛片作为阳极、铂片作为阴极置于电解液中，于直流电压为15～100V下阳极氧化20～120min，阳极氧化过程在室温下进行，然后清洗、干燥；阳极氧化过程中，氧化电压和氧化时间对整个阳极氧化过程起着关键作用。氧化电压直接影响光电极中氮参杂效果和光电极表面的微观形貌，氧化电压过低，不能击穿钛表面生成的介电层，从而影响光电极的导电性能，而阳极氧化电压过高，将直接导致光电极表面微观结构垮塌；而氧化时间主要是影响整个光电极上二氧化钛膜层的厚度，从而影响对光的利用效率和转化率，膜层太薄，不能充分利用太阳光，而膜层太厚直接增加光电极表层电阻，从而会影响电子空穴的分离以及光电极的导电性能。

（4）将上述钛片光电极煅烧1～5h，温度为350～650℃，并随后取出冷却，即得到响应可见光和红外光的氮掺杂二氧化钛光电极。在此过程中，煅烧时间和煅烧温度直接影响二氧化钛的结晶度和晶相转化，在此温度范围和时间范围中，二氧化钛能够很好的从无定型转化成光催化活性最高的锐钛矿型，同时避免光催化活性较低的金红石型产生，温度高于650℃时，二氧化钛晶型主要以催化活性较低的金红石为主，温度过高将会降低光电极的光催化活性，温度低于350℃时，将不能达到锐钛矿型二氧化钛的转变温度。煅烧时间主要影响二氧化钛结晶完整度，煅烧时间过短，将导致二氧化钛不完全结晶，从而影响光催化活性。

作为前述的进一步选择，响应可见光和红外光的氮掺杂二氧化钛光电极的制备方法，依次包括以下步骤：

（1）钛基底预处理；

（2）电解液的配置：电解液由10～20wt%的去离子水、10～20wt%的硝酸和其余为乙二醇相混合而成； 

（3）将钛片作为阳极、铂片作为阴极置于电解液中，于直流电压为30～60V下阳极氧化50～90min，阳极氧化过程在室温下进行，然后清洗、干燥；