[发明专利]MOF衍生的氧化锌复合二氧化钛异质结的制备方法及光电分解水应用

说明书

本发明属于复合材料技术领域，涉及光电催化剂的制备，尤其涉及一种MOF衍生的氧化锌复合二氧化钛(ZnO/TiO₂)异质结的制备方法，以六水合硝酸锌、钛酸四丁酯、2‑甲基咪唑、浓盐酸和FTO玻璃片为原料，先利用简单快速的化学反应法得到FTO玻璃片表面负载TiO₂，再经吸附法和煅烧处理合成ZnO/TiO₂异质结。本发明还将所制得的ZnO/TiO₂异质结，应用于光电催化分解水制氢。Zn‑MOF(ZIF‑8)衍生的ZnO复合在TiO₂纳米棒表面，能够有效地增强ZnO/TiO₂异质结复合光电催化剂的载流子迁移速率，提升电子/空穴分离效率，增强催化剂对光的捕获能力，提高ZnO/TiO₂异质结的光电催化性能。本发明制备工艺较为简单，所制备的ZnO/TiO₂异质结在环境、能源等领域具有良好应用前景，特别是应用于光电催化分解水制氢。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，涉及光电催化剂的制备，尤其涉及一种MOF衍生的氧化锌复合二氧化钛(ZnO/TiO₂)异质结的制备方法及光电分解水应用。

背景技术

氢(H₂)作为一种具有高燃烧热值，可再生，无污染的新兴能源，受到广泛关注。在制氢的各种生产策略中，太阳能驱动的光电化学(PEC)分解水制氢是解决当前能源危机和环境问题的有效策略。但是，探索高效率的光电电极材料对于实际应用必不可少。在各种半导体材料中，TiO₂由于其结构稳定，含量丰富且价格低廉，被认为是有前途的PEC水分解光电电极材料。然而，高的电子/空穴复合率和缓慢的氧化反应动力学极大地限制了其光电性能。此外，TiO₂(金红石，3.0eV)具有较弱的光响应性能，无法有效利用太阳光谱。

构建异质结是有效的半导体改性方法。研究表明，TiO₂光电极和某些金属氧化物的组合是提高PEC性能的有效策略。选择合适的金属氧化物与TiO₂复合，形成的异质结构可以明显促进电子/空穴的分离，改善载流子迁移行为，并提高太阳光的利用率。Sun等人发现TiO₂和Fe₂O₃的组合可以显著改善PEC性能，利用水热法在TiO₂纳米棒上生长Fe₂O₃，Fe₂O₃的窄带隙可以增强光吸收，从而产生更多的光生载流子，有效促进PEC水的分解。在许多金属氧化物中，ZnO由于高电子迁移率和低载流子复合率而受到广泛关注。因此，它可以用作构建TiO₂异质结的有效候选材料。值得一提的是，ZnO和TiO₂的带隙能相似，因此构造的 ZnO/TiO₂异质结构具有许多优点。Ng等人报道，ZnO复合在TiO₂纳米管上的，构造的异质结在光响应中产生明显的红移，从而扩大了可见光谱的响应范围。金属有机骨架(MOF)用作牺牲模板，通过煅烧生成金属氧化物，可以促进水分解。MOF为相应的金属氧化物提供特定的微观结构，而MOF衍生的金属氧化物材料可以保留MOF大的比表面积和多孔结构的特征，从而暴露出更多的活性位点，在增强水的分解过程中起着重要作用。

迄今为止，未见公开以Zn-MOF(ZIF-8)为前驱体，通过静电吸附法制备ZnO/TiO₂复合材料。

发明内容

为了解决TiO₂半导体材料电子空穴容易复合、仅能对紫外光响应，界面反应动力学缓慢的问题，本发明公开一种MOF衍生的氧化锌复合二氧化钛(ZnO/TiO₂)异质结的制备方法。

技术方案：