[发明专利]一种具有高度周期性Ti‑Fe合金氧化物光子晶体电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种电极的制备方法，尤其是涉及一种具有高度周期性Ti-Fe合金氧化物光子晶体电极（Ti-Fe-O NTPC）的制备方法。

背景技术

光子晶体是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光子结构，这种材料因为具有光子带隙而能够阻断特定频率的光子（通常为可见区域光子），从而将其进行捕获。目前，光子晶体广泛地应用在反射式偏振膜，传感器，太阳能电池等，特别地，由于其独特的可见光吸收性能而应用在光电催化领域。在各种光子晶体材料中，传统的光催化材料TiO₂特别是一维高度有序的二氧化钛纳米管（TiO₂ NT）具有优质的电子转移性能和光化学稳定性，而受到广泛关注，但是它最大的缺点是仅对紫外光区域具有光响应。有文献报道尝试将物理概念应用在TiO₂的空间构建中，如将TiO₂ NT与高度有序的TiO₂ 纳米网结合构筑出光子晶体结构来获得可见光响应。由于TiO₂的本性导致了构筑的电极其光电转换效率仍然比较低，但是光电转换效率是评价电极是否具有高效光电催化性能的重要指标。因此，进一步提高TiO₂ 电极的光电转换效率是很有必要的。

赤铁矿Fe₂O₃稳定性高、廉价及对环境无害，而且禁带宽度为2.2eV，具有较高的可见光响应，但是其电化学性能较差及光电转换效率低等限制了其发展。研究者构思将Fe₂O₃高的可见光响应与TiO₂优异电子转移性能和光腐蚀稳定性相结合而构筑出具有高可见光响应且高稳定性的光电催化电极材料。过去研究比较多的是采用电化学沉积法或浸涂法等将Fe₂O₃修饰到TiO₂ NT上，但是得到的产物为Fe₂O₃以各种尺寸颗粒状分散在管内或是团聚在管口，容易造成管口堵塞，破坏了TiO₂NT的管道结构及人为降低纳米管的高比表面积，同时存在掺杂不均匀的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服纯TiO₂ NT对可见光不响应以及传统对TiO₂ NT进行负载存在的缺陷，提供一种双金属同步阳极化获得具有高效光电催化性能的高度周期性分层Ti-Fe合金氧化物光子晶体电极的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有高度周期性Ti-Fe合金氧化物光子晶体材料，所述的电极材料是由上层高度周期性纳米网结构和下层直立有序的纳米管阵列构成，并且铁在二氧化钛中均匀掺杂。

本发明的纳米电极的制备方法是在Ti-Fe合金基底采用三步电化学阳极化法制备Ti-Fe合金纳米氧化物。具体步骤如下：

（1）将含3~12 wt % Fe 的钛铁合金板依次用180目、320目、600目和金相砂纸打磨，使其表面均匀且光滑如镜面，然后依次在蒸馏水和丙酮中各超声清洗15 min，最后在N₂气氛下常温干燥；

（2）将步骤（1）处理后的钛铁合金板作为阳极，Pt片作为对电极，采用含有0.2~0.5 wt% NH₄F和1~3 vol% H₂O的乙二醇溶液作为电解液，在40~70 V恒电位条件下阳极化3h，得到附着有纳米管的钛铁合金板；

（3）将步骤（2）制备得到的纳米管在去离子水中进行超声处理，将纳米管从钛铁合金板表面移除，再将处理后的钛铁合金板在40~70 V恒电位条件下阳极化1h，进一步得到附着有纳米管的钛铁合金板；

（4）再次通过超声处理将步骤（3）制备的纳米管移除，接着采用阶跃式电位，分别在低压（5~20V），中压（20~30V）及高压（30~50V）作用下各自阳极化30min，得到电极；

（5）将步骤（4）得到的电极用蒸馏水洗涤并在乙醇溶液中浸泡2h，然后用N₂常温烘干，最后置于管式炉中氧气中进行热处理，以1~2℃ min^-1升温速率由室温升至500℃后，在500℃下恒温3h，最后以1~2℃ min^-1的速率降至室温，最终获得Ti-Fe-O NTPC电极材料。

本发明中，步骤（4）施加阶跃式电位，为低压，中压及高压逐步递增。