[发明专利]一种分枝状异相氢化二氧化钛纳米棒阵列电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种分枝状异相氢化二氧化钛纳米棒阵列电极及制备方法。

背景技术

随着人类社会发展，能源问题越来越严重，人们迫切需要寻找可以替换非再生能源的清洁能源。氢气热值高，储量大，无污染、可再生，因此，氢能作为一种清洁能源被人们寄予厚望。在电解水、太阳能分解水、生物制氢及化工、冶金等流程制氢等方法中，太阳能分解水因价格低、无污染、可持续利用，被认为是一种理想的制氢方法。在诸多光催化材料中，TiO₂具有良好的光催化性能、光电转化性能、光稳定性和化学稳定性，在光电转换、光催化等领域有着广阔的应用前景。1972年，日本学者Fujishima和Honda(Nature，238(1972)，37)在nature杂志上发表有关半导体二氧化钛单晶电极在紫外光的作用下把H₂O分解成为H₂和O₂的论文以来，开辟了人类对太阳能转化利用的新纪元。目前，对于一维结构的TiO₂纳米棒而言，许多研究工作者采用水热方法制备出金红石相TiO₂纳米棒阵列材料。但是金红石相纳米棒阵列由于能带隙大且光生电子复合率大，制备出的材料在可见光和紫外光辐照下光生电子效率低，因此产氢性能也较差。HongZhu(AppliedSurfaceScience，257(2011)，10494)采用水热方法制备了分支状纳米棒结构材料，分支状纳米棒阵列与纳米棒阵列相比，具有较好的光催化降解性能。如何在分支纳米棒的基础上进一步提高TiO₂纳米棒阵列的光电性能，从而提高产氢效率是一个重要的课题，这一问题的解决为制备具有较高制氢性能的材料具有重要意义。

2011年XiaoboChen(Science，331(2011)，746)报道，在氢气气氛200℃下TiO₂纳米颗粒退火5天后，制得氢化处理的TiO₂，与未经氢化处理的样品相比，制备出的样品具有较好的降解亚甲基蓝能力，同时分解水制氢性能稳定。GongmingWang(NanoLetters，11(2011)，3026)也经过氢化处理制备出氢化的TiO₂纳米线阵列，与未经氢化处理的TiO₂纳米线阵列相比，氢化后的样品具有较好的光电化学性质。我们前期也申请中国发明专利(CN104316581A)，公开了以氢化的二氧化钛纳米棒阵列制备化学传感器电极，该电极可利用可见光进行光电催化的转化，从而测定水溶液中的化学需氧量，其性能比没有氢化的大大提高。由此可见，采用氢化过程处理TiO₂为光催化降解和分解水制氢的发展提供了新的方向，但目前效率还很低，特别是分解水制氢方面研究报道很少。本发明设计一种分支结构的氢化TiO₂纳米棒阵列，作为光催化制氢的电极，该过程操作简单，光电性能大大得到提高。目前把分支结构与氢化处理结合在一起，制备一种分支状异相氢化二氧化钛纳米棒阵列还未见国内外报道。

发明内容

基于以上现有技术，本发明的首要目的在于提供一种分枝状异相氢化二氧化钛纳米棒阵列电极的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的分枝状异相氢化二氧化钛纳米棒阵列电极。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种分枝状异相氢化二氧化钛纳米棒阵列电极的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)超声预处理氟掺杂的SnO₂透明导电玻璃，得到预处理后的FTO导电玻璃；

(2)水热法制备TiO₂纳米棒阵列：将去离子水、盐酸和钛酸四丁酯配成混合溶液，再将预处理后的FTO导电玻璃放入上述混合溶液中，150～200℃水热反应4～9h，得到表面含有TiO₂纳米棒阵列的导电玻璃；

(3)氢化二氧化钛纳米棒阵列电极制备：将步骤(2)得到的表面含有TiO₂纳米棒阵列的导电玻璃在管式炉中氢气和氩气体积比为1:(3～5)的气氛下退火，退火温度为300～500℃，然后自然降温至室温，即得到氢化二氧化钛纳米棒阵列电极；

(4)分支状异相氢化二氧化钛纳米棒阵列电极制备：将去离子水、盐酸和三氯化钛溶液配成混合溶液，将步骤(3)得到的氢化二氧化钛纳米棒阵列电极放入此混合溶液中，60～100℃反应0.5～3h，得到分支状异相氢化二氧化钛纳米棒阵列电极。