[发明专利]Cu2O量子点修饰二氧化钛纳米管光电极及其制备与应用

说明书

本发明涉及Cu₂O量子点修饰二氧化钛纳米管光电极及其制备与应用，属于光电极材料领域。将具有可见光特性p型半导体Cu₂O量子点均匀修饰于n‑型周期性有序二氧化钛纳米管阵列基底电极表面，制备得到Cu₂O量子点修饰二氧化钛纳米管光电极。并将此Cu₂O量子点修饰二氧化钛纳米管光电极用于光电催化生物质衍生物氧化促进制氢。与现有技术相比，本发明将高效光电催化氧化技术与电催化分解水制氢技术相结合，通过合理构筑并制备出Cu₂O量子点修饰二氧化钛纳米管光电极光电催化生物质衍生物葡萄糖氧化制氢，制备过程简单易行且反应条件温和。Cu₂O量子点修饰二氧化钛纳米管光电极光电催化葡萄糖氧化促进分解水制氢量高达97.93μmol/cm²，且其呈现出优异的光电催化稳定性能。

技术领域

本发明属于光电极材料领域，尤其是涉及一种Cu₂O量子点修饰二氧化钛纳米管光电极及其制备与应用。

背景技术

目前，化石能源枯竭及其所引起的环境恶化等问题已经成为人类社会发展亟待解决的问题，发展绿色高能新型可持续能源迫在眉睫。与传统化石能源相比，氢能源作为当今人类社会理想可再生能源类型，源于其能量储备值相对较高，与相同质量的汽油、煤和氢气燃烧所提供的能量相比，氢气的产热量最高且燃烧最终产物只有水生成，且对周围环境无任何危害。自上世纪70年代，Honda和Fujishima 等首次报道了在TiO₂上光电催化分解水制氢，标志着分解水制氢进入到了崭新的时代。直接将取之不尽，用之不竭的太阳光能转化为高效能源进行存储及利用，显著改善当今严重环境污染及能源短缺问题，势必成为世界各国未来市场争夺的焦点。

光电催化分解水制氢反应的发生需要在光电催化剂的参与下才能进行的反应，因此光电催化分解水的核心是研发出性能更为优异的光电催化剂材料。在众多的半导体光电催化剂材料当中，TiO₂由于具有成本低廉，化学性能稳定，环境兼容性好及光催化活性高等特性，被认为是最具发展前景的光电催化剂材料。然而， TiO₂是一种宽禁带(3.2eV)半导体材料，只能被波长<385nm的紫外光激发(仅占太阳光谱能量的约5％)；加之，TiO₂光生电子和空穴对的复合率较高，均会导致其光催化活性较低。针对上述问题，科学家们对TiO₂的改性进行了大量的科学研究工作。其中，将具有可见光特性的窄带半导体光电催化剂材料修饰于TiO₂表面，显著增大样品电极对可见光的吸收及利用效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有光电催化制氢技术存在缺陷，而提供一种Cu₂O量子点修饰二氧化钛纳米管光电极及其制备与应用。

由于Cu₂O作为典型p-型金属氧化物半导体材料，其禁带宽度为Eg＝2.17eV，其对可见光能够进行有效的吸收和转化，但其光稳定性较差，将其与n型TiO₂半导体材料相复合，形成PN异质结构复合半导体材料，其能够显著增大样品电极对可见光能的利用率，且有效的改善了样品电极中Cu₂O光腐蚀问题。本发明以Cu₂O 作为光助催化剂，将Cu₂O制备成量子点状均匀修饰包覆于二氧化钛纳米管阵列基底电极表面，制备得到Cu₂O量子点修饰二氧化钛纳米管异质结构光阳极材料。最后，将其与光电催化制氢技术相结合实现快速高效光电催化生物质衍生物氧化制氢体系。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：