[发明专利]一种MXene量子点活化的一维二氧化钛纳米复合光阳极的制备及其应用

说明书

本发明属于光电极材料制备和光电催化技术领域，具体涉及一种MXene量子点活化的一维TiO₂纳米复合光阳极的制备及其应用，通过静电层层自组装的方式，使得MXene量子点，非共轭聚电解质PDDA以及一维TiO₂纳米棒阵列组合在一起，构成多层异质结光阳极，并应用于光电催化分解水。本发明首次将MXene量子点用于活化聚电解质包覆的一维TiO₂纳米结构，所制得的光阳极具有高效的光电催化能力，且MXene量子点的负载量可通过调控自组装层数得以实现。本发明整体制备工艺简单，设计原理可靠，有利于环境和能源的可持续发展。

技术领域

本发明属于光电极材料制备和光电催化技术领域，具体涉及一种MXene量子点活化的一维TiO₂纳米复合光阳极的制备方法以及其在光电催化分解水方面的应用。

背景技术

20世纪70年代初，日本的Fujishima和Honda首次发现了TiO₂可以用来光电催化分解水产氢，自此半导体光催化及光电催化分解水产氢拉开帷幕。

针对现有的金属氧化物半导体，TiO₂因其具有良好的化学稳定性，无毒性以及低成本性而被广泛作为基准半导体应用于光电催化反应中。其中从导电衬底直接生长出来的一维纳米结构的TiO₂最为典型，其结构优点是高度有序的纳米结构、增强的比表面积和沿一维骨架垂直方向改进的电荷分离/转移。但是，由于TiO₂受光激发后，其光生载流子会快速的进行重复合，因此限制了其在光电催化领域的高效应用。对此，过去十年，大量的工作致力于降低TiO₂的光生载流子复合效率。

非共轭聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵PDDA具有迁移电子的特性，因此利用PDDA包覆纳米半导体结构，有利于构建空间上的电子传输通道，从而对光激发电子进行快速分离与迁移。与此同时，MXene量子点作为0维材料因其费米能级低于绝大部分半导体的导带位置，所以易与半导体构成肖特基结，从而引发光生电子自半导体流向MXene量子点。另外，MXene量子点因其具有较高的比表面积和独特的电子接收特性，所以可以作为良好的助催化剂材料。因此，协同PDDA和MXene量子点可有效地在半导体基底上构建一条连续的电子转移通道。

层层自组装技术作为一种简单实用的自上而下的技术，通过利用静电相互作用，使得带相反电荷的组装单元可以实现在基底物质上的精确交替沉积，每种组装单元的负载量可以通过调整装配层数和装配顺序来实现精密调控。因此层层自组装技术在构建多层纳米异质结构方面，已得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产工艺简单，重复性好，且可控性较强的MXene量子点活化的一维TiO₂纳米复合光阳极的制备方法以及其在光电催化分解水方面的应用，制备好的TiO₂/(PDDA/MQDs)_n(n＝1,2,4,6,8，其中n代表层数)光阳极在模拟太阳光的照射下，相比于纯TiO₂基底展现出突出的光电催化分解水的能力，并且随着自组装层数的改变，光电催化的效力也会随之改变。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种MXene量子点活化的一维TiO₂纳米复合光阳极，是以原位生长于FTO玻璃上的TiO₂纳米管阵列作为基底半导体，通过静电相互作用力，使得带正电荷的非共轭聚电解质PDDA与带负电荷的MXene量子点交替沉积在TiO₂基底之上，通过调控沉积层数，实现对于组装单元的负载量的控制，以探索出最佳层数或负载量。所制得的多层异质结光阳极在模拟太阳下具有高效的光电催化分解水能力。

所述MXene量子点活化的一维TiO₂纳米复合光阳极的制备方法，包括以下步骤：其包括以下步骤：

(1)TiO₂纳米棒阵列的制备