[发明专利]氧化亚铜纳米线光阴极及其制备方法、光电化学器件

说明书

本发明提供了一种氧化亚铜纳米线光阴极，所述氧化亚铜纳米线光阴极包括形成于金属铜基片上的氧化亚铜纳米线，所述氧化亚铜纳米线的表面负载有保护层，所述保护层包含有钴和镧金属元素。所述氧化亚铜纳米线光阴极的制备方法包括：提供金属铜基片并在金属铜基片上生长氢氧化铜纳米线；将所述氢氧化铜纳米线浸泡于包含有钴和镧金属元素的有机前驱体溶液中，并干燥处理；将干燥后的氢氧化铜纳米线在惰性氛围中高温煅烧，获得氧化亚铜纳米线光阴极。本发明中的氧化亚铜纳米线光阴极，钴镧双金属元素包括不仅可以提升氧化亚铜纳米线光阴极的循环稳定性，还可显著地提高其光电催化性能，并且其制备工艺简单、成本低廉，在光电催化领域具有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及光电化学器件技术领域，尤其涉及一种氧化亚铜纳米线光阴极及其制备方法，还涉及包含所述氧化亚铜纳米线光阴极的光电化学器件。

背景技术

光电化学(PEC)是将太阳能转化为可储存的化学燃料的一种很有前途的方法。而开发低成本、高效、稳定的半导体基光电极是实现具有经济效益的PEC能量转换的关键一步。对于水分解氧化还原电偶，p型铜基金属氧化物具有合适的带隙值和有利的带边，高效率的铜基光阴极与高性能的光阳极(例如BiVO₄)相结合，可构建高效的叠层型器件，实现无偏压分解水，成为用于PEC太阳能转换应用的良好候选材料。

在铜基氧化物中，氧化亚铜(Cu₂O)是目前研究最多的用于PEC水分解的p型半导体，其带隙为2.17eV，吸收上限可达570nm，能有效地吸收太阳能可见光波段能量。Cu元素的3d和O元素的2p轨道杂化以及晶体内部的Cu²⁺缺陷，大大提高了空穴的导通性，因此具有良好的光电催化性能。理论上，氧化亚铜光能转换为氢能的效率可达到18.7％。

然而，目前所报道的氧化亚铜材料光转换效率远远低于此值。一方面，在PEC反应过程中，其稳定性较差，在光照条件下易发生光腐蚀，从而失去催化活性；另一方面，氧化亚铜自身载流子浓度低，光照后产生的光生电子-空穴对在材料内部传输受阻，极易发生复合，因而无法迅速的迁移至材料表面参与氧化还原反应，从而失去了催化能力。如何避免氧化亚铜纳光阴发生光腐蚀并提升其催化性能是业内需要解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种氧化亚铜纳米线光阴极及其制备方法，以解决现有的氧化亚铜纳光阴极易发生光腐蚀且催化性能较差的问题。

为了解决以上的技术问题，本发明的一方面是提供一种氧化亚铜纳米线光阴极，所述氧化亚铜纳米线光阴极包括形成于金属铜基片上的氧化亚铜纳米线，所述氧化亚铜纳米线的表面负载有保护层，所述保护层包含有钴和镧金属元素。

优选的方案中，所述氧化亚铜纳米线的直径为50nm～500nm，长度为5μm～10μm，所述保护层的厚度为10nm～100nm。

为了解决以上的技术问题，本发明的另一方面是提供一种如上所述的氧化亚铜纳米线光阴极的制备方法，其包括：

提供金属铜基片并在所述金属铜基片上生长氢氧化铜纳米线；

将所述氢氧化铜纳米线浸泡于包含有钴和镧金属元素的有机前驱体溶液中，并干燥处理；

将干燥后的所述氢氧化铜纳米线在惰性氛围中高温煅烧，获得所述氧化亚铜纳米线光阴极。

在一些具体的技术方案中，在生长氢氧化铜纳米线之前还对所述金属铜基片进行预处理，包括：

将剪裁为预定尺寸的金属铜基片进行表面有机物清洗，具体是：将所述金属铜基片浸入丙酮和醇溶剂的混合溶液中超声处理10min～20min，其中，所述丙酮和醇溶剂的质量比1:1～1:2；所述醇溶剂例如是无水乙醇、甲醇或异丙醇；

将有机物清洗后的金属铜基片进行酸洗，具体是：将所述金属铜基片浸泡在0.01M～0.02M的稀盐酸或稀硝酸或稀硫酸溶液中超声处理10min～20min；