[发明专利]一种金属离子偶联的染料敏化光催化剂与光电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种染料敏化光催化剂与光电极的制备方法，尤其涉及一种金属离子偶联的染料敏化光催化剂与光电极的制备方法。

背景技术

光催化是利用太阳能解决能源短缺和环境污染的最好方法之一。TiO₂、ZnO等宽带隙半导体作为光催化剂，在光催化分解水制氢、降解污染物和自清洁等方面有着很好的应用前景。然而，这些宽带隙半导体只有在紫外光照射下才显示光催化活性和光电转换效率。太阳光中紫外光仅占5％左右，而可见光约占45％。通过染料敏化使宽带隙半导体具有可见光活性是他们最重要的改性方法之一。通过染料吸收可见光敏化TiO₂等宽带隙半导体，可实现可见光催化制氢、降解污染物。染料吸收可见光敏化TiO₂可实现可见光的光电转换。型光电化学太阳能电池是一种技术简单、价格低廉且具有较高能量转换效率的新型的太阳能电池(Nature，353(24)737-740，1991)。染料敏化的TiO₂纳米多孔膜光电极是其重要组成部分之一(工作电极)。

通常，半导体表面单层吸附染料敏化对任何波长的光收获效率都很低；多层吸附染料敏化由于：1)染料的自猝灭作用，2)激发电子转移困难等问题，效率也不高。因此，染料敏化光催化剂的活性与光电极的光电转化效率都不高。

等通过提高半导体纳米薄膜表面粗糙度，提高了光收获效率和光电转化效率，但TiO₂纳米薄膜光电极制备步骤长且较复杂。通过金属离子先吸附在半导体表面可以提高染料的吸附量，同时也促进了电子从染料向敏化基质的电荷转移效率，从而提高了催化剂的活性(Journal of Colloid andInterface Science 265，428-431，2003；功能材料，38(03)，362-365，2007)。但这种染料的吸附仍然是单层吸附，限制了光收获效率、光催化剂的活性与光电极光电转化效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属离子偶联的染料敏化光催化剂与光电极的制备方法，通过金属离子在半导体表面的吸附和与染料作用，增加染料的吸附(多层吸附)和光的吸收效率；通过金属离子将染料与染料偶联，提高染料光生电荷转移效率。

本发明是这样来实现的，其工艺方法步骤为：

1、将半导体粉末或薄膜放入金属离子溶液中使金属离子吸附达到饱和，所需要的时间在0.5-12小时之间，金属盐浓度应高于其饱和吸附浓度；

2、染料以纯固体或液体形式加入上述溶液中，并快速搅拌.染料在溶解的过程中，一方面吸附在金属表面，另一方面将两个或多个染料分子偶联起来。金属盐和染料摩尔比，较好的为3.0-0.30，最好在0.5-2.0。金属和染料之间可以形成三维、二维、一维聚合物；

3、通过过滤或简单的物理分离得到光催化剂与光电极。

本发明也可以这样来实现，其工艺方法步骤为：

1、将半导体粉末或薄膜放入金属离子溶液中使金属离子吸附达到饱和，所需要的时间在0.5-12小时之间，  过滤或简单的物理分离，用水或乙醇或丙酮等有机溶剂洗涤处理的粉末或薄膜、干燥；

2、将上述半导体粉末或薄膜染料放入染料溶液中，达到饱和吸附后，过滤或简单的物理分离，用水或乙醇、丙酮等有机溶剂洗涤处理的粉末或薄膜、干燥；

3、重复步骤1和2，较好的次数为2-50次，最好的次数为2-10次。重复步骤1和2时，采用的金属盐、染料及他们的浓度可以相同，也可以不同。

本发明方法中，所用的被敏化基质为TiO₂、ZnO、SnO₂和BaTiO₃等宽带隙半导体和Al₂O₃、SiO₂等绝缘体的粉末或薄膜。

在本发明方法中，所用的金属离子是指：2-4主族金属离子如Al³⁺、Pb²⁺等，过渡金属离子如Fe²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等和稀土金属离子如La³⁺、Ce³⁺等，所用的金属离子采用硝酸盐、氯化物、硫酸盐、乙酸盐等，他们溶于水、乙醇等常见溶剂。

在本发明方法中，金属离子将半导体或绝缘体与染料，染料与染料偶联起来，形成多层结构。

在本发明方法中，构成多层染料吸附所用的金属离子可以为一种或多种，所用的染料也可以为一种或多种。