[发明专利]一种光电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种光电极的制备方法，该光电极由氧化石墨、石墨相氮化碳和二氧化钛纳米带阵列光电极复合而成，所述二氧化钛纳米带阵列光电极沉积在石墨相氮化碳上，所述氧化石墨位于二氧化钛纳米带阵列光电极和氧化石墨两相的结合界面上，其制备的具体步骤包括：(1)二氧化钛纳米带阵列光电极的制备；(2)石墨相氮化碳纳米片的制备；(3)掺杂石墨相氮化碳的二氧化钛纳米带阵列光电极的制备；(4)掺杂石墨相氮化碳和石墨烯的二氧化钛纳米带阵列光电极的制备。本发明制备方法简单、快捷且便于操作，制备得到的光电极具有较高光生电子空穴的产率和分离效率，较高的可见光利用性能。

技术领域

本发明涉及复合光电极技术领域，特别是涉及一种光电极的制备方法。

背景技术

二氧化钛作为一种传统的n型半导体光催化剂，由于其优越的光学和电子性能，物理化学性质稳定，无毒副作用，价廉易得等优点，在光催化领域得到了广泛的研究和应用，是当前研究最多的光催化剂材料。然而TiO₂光催化剂也存在着两点主要的缺陷：一是二氧化钛的禁带宽度较宽（3.2eV），对可见光无响应，只有吸收了能量大于禁带宽度的紫外光才能激发产生光生空穴和电子对污染物进行氧化还原反应，然而太阳光中紫外光占比不足5%，这就导致二氧化钛对太阳能的利用率极低；二是二氧化钛吸收光子能量激发产生的光生空穴和电子复合率较高，这就严重限制了二氧化钛的光催化活性。为改善上述缺点对TiO₂光催化剂进行改性，改性的方法主要有贵金属掺杂、非金属掺杂、半导体复合和表面光敏化作用，相对于其他修饰方法来说，半导体复合效果要好一些，而且复合方法多样化。

而氮化碳具有五种同素异形体，其中石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是五种氮化碳中最稳定的一种。它环保无毒，价廉易得，属于窄带隙半导体，其带隙宽度约为2.7eV，最大吸收波长在460nm附近，这使得它可以有效的吸收可见光，对太阳光有较高的利用效率。同时，g-C₃N₄还具有良好的热稳定性、电子和光学特性等优点。根据上述一系列优异的特性，g-C₃N₄在可见光下降解有机污染物方面引起极大的关注。然而通过热聚合法得到的石墨相氮化碳具有光生电子和空穴复合快等缺点，光催化效率仍有待提高。

而通过将窄带隙半导体石墨相氮化碳与宽带隙二氧化钛复合，不仅能提高可见光吸收范围，促进光生电子空穴的迁移，同时具有较高的氧化还原能力，最终具有优越的光催化氧化还原性能，并通过引入地球含量丰富的二维导电还原氧化石墨(rGO)作为有效的电子介质，进一步促进光生载流子转移。从理论上讲，rGO不仅可以通过为Z-型电荷重组创造新的电子传递桥，增加两种不同半导体之间的接触面积和致密性，而且可以大大改善表面吸附和反应动力学，从而显著增强光催化活性。

目前虽有对氧化石墨/石墨相氮化碳/二氧化钛纳米带阵列光电极的研究，但是制得的氧化石墨/石墨相氮化碳/二氧化钛纳米带阵列光电极依然存在如下缺点：（1）生成的石墨相氮化碳是以量子点的形式沉积在纳米管顶部，对可见光的利用率以及污染物的吸附量低，从而导致光催化效率降低；（2）二氧化钛光电极的石墨相氮化碳量非常少，对可见光的吸收以及光生电子和空穴的分离率没有显著提高。

对此，本申请通过通过在进行阳极氧化前对钛片进行打磨、洗涤处理，去除钛片表面油污，提高阳极氧化效果，并通过选用NH4F和乙二醇的混合溶液作为电解质，并调节阳极氧化的参数，从而底部二氧化钛纳米管顶部纳米带阵列光电极，并通过将阳极氧化得到的二氧化钛纳米带阵列光电极进行煅烧处理，有效提高其比表面积、稳定性、光电催化性能等。并通过二氧化钛纳米带阵列光电极和石墨相氮化碳、氧化石墨进行半导体耦合，二氧化钛纳米带阵列光电极和石墨相氮化碳的价带顶和导带底能级的位置相匹配，光照时两者能够形成Z型异质结构，二氧化钛产生的光生电子与石墨相氮化碳产生的空穴进行复合，最后光生空穴聚集在二氧化钛的导带，而光生电子则聚集在石墨相氮化碳的价带上，通过氧化石墨将光生电子传导至光电极表面发生还原反应，延长了光生电子和空穴的寿命，同时也使光生载流子得到有效分离，是拓宽光吸收范围和促进电荷分离的有效方法。