[发明专利]一种金属氧化物修饰TiO2纳米管阵列电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电极材料和制备工艺，尤其涉及一种具有可见光催化活性和光电催化特性的金属氧化物/TiO₂纳米阵列电极及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展，全球能源消耗量迅速增长。能源和环境危机成为人类面临的重大挑战，合理开发和利用清洁能源已成为必然趋势。太阳光是最典型的自然能源，太阳能利用是新能源开发和能源再生利用的重要组成部分。目前，太阳光主要用在光热转换和光电转换两个领域，包括光伏发电和光化学。

二氧化钛纳米管阵列(TiO₂-NTs)是具有较强光催化作用的纳米结构半导体氧化物，在光催化材料、太阳能电池、气体传感器和废水光电催化方面得到了广泛研究和应用。TiO₂-NTs的制备方法包括模板法、水热合成法和阳极氧化法等。其中钛片在含氟电解质中的阳极氧化是最简单的制备方法，其制备的二氧化钛纳米管具有高度有序性，用作电化学阳极时具有显著的催化活性。高度有序的纳米管结构减少电子晶格间跳跃时的能量损失，提高了对可见光区低能光子的吸收。高度有序纳米管结构具有良好的光电化学应用前景。

然而，TiO₂具有较宽的禁带(3.0-3.2ev)，只能吸收太阳光谱中的紫外光，影响了其广泛应用。同时，TiO₂的光生电子-空穴对复合几率较高，使其光催化活性和催化效率降低。Fe₂O₃，CuO等氧化物具有较窄的禁带宽度和较强的可见光敏感性。用该金属氧化物修饰TiO₂纳米管电极，可以明显提高TiO₂电极的光电催化活性。当可见光照射该电极时，金属氧化物受到激发并诱导产生电子-空穴对。由于TiO₂导带比氧化物的导带电位更正，光生电子从金属氧化物纳米粒子导带进入TiO₂导带并转移到TiO₂纳米管的表面。然后在外部静电场的作用下，穿过TiO₂和Ti的边界，进入外部电路，实现光生电子-空穴的有效分离，显著提高TiO₂电极光电催化活性。

目前，金属氧化物修饰TiO₂纳米管电极的制备方法报道较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种能利用太阳光能量的成本低廉的金属氧化物修饰TiO₂纳米管电极及其制备方法。

本发明采用阳极氧化、阴极电沉积和碱溶液阳极氧化三步法制备金属氧化物修饰TiO₂纳米管电极。本发明制备方法步骤如下：

(1)阳极氧化法制备TiO₂纳米管

将纯钛板打磨至表面平整，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗。采用恒电位法，以钛板为阳极，铜片或不锈钢为阴极，在含可溶性氟化盐和可溶性硫酸盐的水溶液中，或含可溶性氟化盐的乙二醇溶液中，以恒定电压对阳极氧化；将制得的样品用去离子水冲洗、风干，在空气氛下以恒定速度升温到400℃～500℃后恒温退火处理、冷却，得TiO₂纳米管阵列电极。

所述的可溶性氟化盐优选为NH₄F、NaF或KF，所述的可溶性硫酸盐优选为(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄或K₂SO₄；所述的含可溶性氟化盐的乙二醇溶液优选为含NH₄F的乙二醇水溶液，其中乙二醇与水体积比为99∶1。

阳极氧化的电压优选为10～30V，氧化时间优选为5～20h。空气氛下的升温速度优选为1～10℃/min。

(2)阴极电沉积法制备金属沉积TiO₂纳米管电极：

将TiOx纳米管阵列电极浸渍在含有金属Rⁿ⁺离子的金属R盐溶液中超声，然后将TiO₂纳米管阵列电极转移到可溶性硫酸盐水溶液中，以TiO₂纳米管阵列电极作为阴极，铂片为阳极，电解液温度60℃～90℃，恒定电压下电沉积5-30min，金属R沉积到TiO₂的微孔中。经过多次重复的超声和沉积过程后风干，即得到所需沉积量的R/TiO₂电极。

所述的恒定电压优选为1-10V。所述的超声和沉积重复次数为1-10次。