[发明专利]一种复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种复合电极材料及其制备方法和应用，属于能源转化与储存材料技术领域。本发明的复合电极材料为3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列，所述3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列由垂直均匀排布的一维ZnO/CdS纳米棒阵列与BiOI纳米片结合组成，所述ZnO/CdS纳米棒阵列为CdS均匀分散在ZnO纳米棒阵列表面形成。本发明的复合电极材料在可见光照射(λ>420nm)下，ZnO/CdS/BiOI NRAs光电阳极显示出优异的PEC活性，并且在1.1V vs.RHE下产生9.12mA cm^‑2的光电流密度，实现了3.49％的高光转换效率和超过6000秒的长期稳定性；本发明的复合电极材料原料成本较低，制备方法简单有效，合成过程绿色、可控，有利于该材料的大量生产，在光电催化中有相当大的实际应用前景。

技术领域

本发明涉及一种复合电极材料及其制备方法和应用，属于能源转化与储存材料技术领域。

背景技术

氢作为一种清洁和可再生能源，因其在解决当前因化石燃料的过度使用和由此导致的严重全球变暖问题而引发的全球能源危机的潜力而引起了极大的关注。通过消耗太阳能生产氢燃料的光电化学(PEC)水分解被认为是将取之不尽的太阳能转化为可储存氢的有前途和有效的方法。自从本多健一(HONDA Kenichi)和藤嶋昭(FUJISHIMA Akira)于1972年首次报道用于水分解的n型TiO₂电极以来，已经集成了许多半导体材料以有效地提高PEC的能量转换效率，例如Fe₂O₃、Cu₂O和ZnO。

ZnO是一种具有良好光电性能、优异化学稳定性和热稳定性的新型直接带隙宽禁带半导体材料，其室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，故而在光催化处理水污染领域具有广阔的应用前景，Kumaresan等已利用由水热法制备的ZnO纳米粉体成功进行了光催化污水处理模拟实验。然而，采用ZnO粉体光催化处理废水后催化剂回收利用困难，易产生二次污染，并且水热法制备ZnO纳米粉体存在工艺周期长以及对设备依赖性强等问题。而ZnO纳米棒不仅能提供电荷输运的直接途径、解耦载流子收集方向，还可负载于特定基底之上以实现重复利用。此外，相比水热法，电沉积法具有低温、可控、环保且对设备要求不高等优点，Lv等已通过电沉积法在导电玻璃(FTO)基底上成功制备出ZnO薄膜并研究了其整流特性。ZnO由于其高电子迁移率无毒性(210cm²V^-1s^-1)和大的激子结合能而受到越来越多的关注，但其光转换效率受到电子-空穴对和宽的带隙(3.37eV)的严重复合的极大限制。制造异质结ZnO/CdS最常用于加速电荷载流子在内部电场下的扩散，从而产生更有效的电子-空穴对分离和更长的电荷载流子寿命。尽管已经实现了相当好的PEC性能，但是基于ZnO/CdS的光阳极的实际应用，仍然受到CdS表面光生空穴引起的光致腐蚀的阻碍。

为了进一步提高ZnO/CdS光电阳极的PEC性能，运用了以下策略：(1)制备具有比表面积大的纳米结构ZnO/CdS，垂直良好排列的一维(1D)ZnO/CdS纳米棒阵列(NRAs)；(2)改变表面性质，独特的3D交联结构不仅允许电解质通过互连的空隙扩散，而且在不牺牲材料导电性的情况下实现大的表面积，这可以大大改善电荷传输速度和分离效率，进一步提高太阳能转换效率。2D超薄BiOI纳米片因其在可见光区域具有窄带隙(1.7eV)和有效可见光响应而备受关注，使其成为许多领域中增强光吸收能力的有前景的光敏剂。因此，将一维ZnO/CdS NRAs与二维超薄BiOI纳米片交联制备具有3D交联结构的复合材料是提高ZnO/CdS光催化活性的有效手段。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种复合电极材料及其制备方法和应用，该复合电极材料具有优异的PEC活性和良好的稳定性，原料成本较低，制备方法简单有效，合成过程绿色、可控，有利于该材料的大量生产，在光电催化中有相当大的实际应用前景。