[发明专利]一种应用于光解水制氢的有序Pt-TiO2/InP纳米线阵列电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种应用于光解水制氢的有序Pt‑TiO₂/InP纳米线阵列电极材料及其制备方法，属于新能源材料的设计与制备、能量转换与应用技术领域。首先利用纳米压印结合金属有机化学气相沉积技术制备了周期性有序排列的InP纳米线阵列；进一步利用原子层沉积和电子束蒸发技术在InP纳米线表面先后沉积TiO₂保护层和Pt助催化剂层，制备获得的有序Pt‑TiO₂/InP纳米线阵列电极材料在标准模拟太阳光照射条件下的饱和光电流密度可达27.7mA/cm²，能量转换效率可高达6.9％，并且稳定性良好。本发明工艺简单，易于实施，对环境友好，可实现该电极材料的大面积制备，有利于工程化推广应用。

技术领域

本发明涉及新能源材料的设计与制备、能量转换与应用技术领域，具体是涉及一种应用于光解水制氢的有序Pt-TiO₂/InP纳米线阵列电极材料及其制备方法。

背景技术

随着能源消耗及环境污染问题的日益恶化，新型清洁能源的开发是应对这一危机的重要途径。氢能因其储量丰富、燃烧性能好、质轻、无污染等特点成为最有可能替代化石燃料的高效清洁能源。自从1972年日本科学家Fujishima和Honda首次发现了半导体TiO₂的光解水产氢以来，如何高效利用太阳能实现半导体材料的光解水制氢已成为新能源开发领域的研究热点，其中高性能半导体光电极材料(包括阳极和阴极)的研发一直是制约该技术应用的难点与瓶颈。

通常，一种理想的用于光解水制氢的半导体光电极材料需要满足以下几点要求：(1) 禁带宽度E_g必须大于水的电解电压(理论值为1.23eV)，由于过电势等因素的存在，合适的禁带宽度E_g>1.8eV，并且导带位置要比H₂/H₂O电位(0V vs RHE)更负，价带位置要比O₂/H₂O(1.23V vs RHE)更正；(2)良好的载流子输运和迁移特性，光生载流子的复合几率较低；(3)能够高效吸收太阳光，特别是对占太阳光能量53％的可见光部分具有良好响应；(4)光化学反应中具有良好的稳定性。目前开发的光解水制氢的半导体电极材料中， TiO₂因其氧化能力强、催化活性高、稳定、无毒、价廉等优势一直是光解水制氢电极材料研究的核心。然而，TiO₂是一种本征宽禁带半导体，量子效率低和太阳能利用率低这两大技术难题始终制约着TiO₂电极材料的大规模工业应用。因此，研究人员一直积极致力于开发新型高效的可见光响应半导体光电极材料。

III-V族半导体InP具有禁带宽度窄(Eg≈1.35eV)、对太阳光吸收范围广、载流子迁移速率高等特点，并且其导带位置比H₂/H₂O电位更负，但是光化学稳定性较差。因此，如何采用有效手段提高InP材料的催化活性和效率以及光化学稳定性是实现其应用于光解水制氢领域的关键。因此，发展一种工艺简单、对环境友好、易于大规模工程化应用的制备方法，获得一种应用于光解水制氢的高性能InP基电极材料，不仅能够拓展InP材料的应用范围，而且为III-V族半导体材料应用于光解水制氢的研究提供理论依据和技术支撑。

发明内容

本发明的目的是利用先进制备技术实现了大面积的比表面积大、对太阳光强吸收的有序InP纳米线阵列的选区外延生长，进一步在InP纳米线表面先后沉积纳米TiO₂保护层和 Pt助催化剂层来提高InP纳米线的光催化活性和效率以及光化学稳定性，制备获得了一种应用于光解水制氢的新型高性能的有序Pt-TiO₂/InP纳米线阵列电极材料。