[发明专利]一种Ti基光阳极及其制备方法和在光电催化全解水制取氧气中的应用

说明书

本发明公开了一种通过表面接枝技术制备Ti基光阳极的方法，并将其应用于全解水反应，属于材料制备及光电催化技术领域。以二氧化钛纳米棒作为基底，以钛酸异丙酯作为钛源，以2,5‑二羟基对苯二甲酸作为配体，以乙酸作为溶剂，通过水热反应在二氧化钛上原位接枝含有Ti‑oxo的分子催化剂，且分子催化剂和二氧化钛基底以Ti‑O键相连。本发明制作的光电阳极具有合适的能带位置，较强的吸光能力和电荷传输能力，在中性电解液中催化性能与基底二氧化钛相比大大提高。本发明工艺简单，成本低廉，具有较大的应用潜力。

技术领域

本发明属于材料制备及光电催化技术领域，具体涉及一种Ti基光阳极及其制备方法和在光电催化全解水制取氧气中的应用。

背景技术

能源短缺是现代社会的主要问题之一，寻找新的能源迫在眉睫。在众多的新能源中，氢以其高能量密度成为一种极具吸引力的清洁燃料。光催化分解水制氢是以太阳光为反应驱动力，以水为反应原料的一种很有前途的制氢方法，而光电催化，由于另外施加了较低的偏压，因此效率较高（Nature. 1972, 5358, 37）。阴极产氢，阳极产氧，实现水的整体分解。然而，常被用于光阳极的传统金属半导体材料，由于较宽的带隙和载流子的复合使得光电转换效率偏低。近些年来发展的分子催化剂因其高活性和可调性而具有广阔的应用前景，在太阳能水分解和二氧化碳还原等领域有着较大的潜能。

一些金属的分子配合物是类似金属氧化物的替代品，通过调整分子构成，可以获得非常高的单位活性。有些分子催化剂还具有吸收光甚至是可见光的能力（Nat. Energy.2019. 4. 290）。在光电催化体系中，光吸收只是第一步，电荷分离和传输也是必要的。然而，完全接触是电荷传输的首要条件，从本质上讲，如果分子催化剂能以某种方式通过化学键连接到底物上，分子催化剂的优势将得到最大限度的发挥。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面接枝技术制备光阳极的方法并将其应用于全解水。通过二次原位法将分子催化剂接枝在二氧化钛纳米棒基底上，且分子催化剂和二氧化钛基底以Ti-O键相连，提高了吸光能力，促进了电荷的分离和传输，能够实现在中性电解液中高效的光电催化分解水反应。本发明具有工艺简单、成本低廉、光催化性能高等特点，符合实际生产需要，具有较大的应用潜力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种表面接枝技术制备Ti基光阳极的方法：以二氧化钛纳米棒为基底，通过二次原位生长方法，将含有Ti-oxo的分子催化剂接枝在二氧化钛上，合成的光电极吸光能力增强，且电荷分离能力增强，光电流密度是二氧化钛基底的2倍。

一种表面接枝技术制备Ti基光阳极的方法，包括以下步骤：

（1）制备二氧化钛纳米棒基底，包括以下步骤：

1）将掺杂氟的SnO₂导电玻璃（FTO）放置于含有0.3 ml钛酸正四丁酯、13 ml盐酸（37wt%）和15 ml去离子水的混合溶液中，在150℃下水热反应12小时。

2）将上述产物在550℃的空气气氛中煅烧2个小时制得生长在FTO上结晶度较好的二氧化钛纳米棒。

（2）在二氧化钛纳米棒基底上接枝分子催化剂：将二氧化钛纳米棒基底放置于含有0.25 mmol 2,5-二羟基对苯二甲酸、0.25 mmol钛酸异丙酯和17 ml乙酸的水热反应釜中，通过150℃水热18小时制得Ti基光阳极；正常情况下，一个Ti原子与六个O原子发生配位。在此Ti基分子催化剂中，Ti原子与羟基和羧基中的六个O原子形成八面体构型分子催化剂。钛酸四丁酯的长链结构使其不容易与2,5-二羟基对苯二甲酸发生反应，生成含Ti的分子催化剂。而钛酸异丙酯的较为短链结构使得2,5-二羟基对苯二甲酸容易与中心Ti原子发生反应，生成分子催化剂。