[发明专利]一种二氧化钛/碳气凝胶光阴极的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及清洁能源和材料化学领域，尤其是涉及一种具有{101}-{001}晶面异质结的纳米级TiO₂/碳气凝胶光阴极的制备方法，以及在高效催化还原产氢方面的应用。

背景技术

氢气是一种清洁能源，光解水产氢是一种环境友好且可持续的能源开发途径。自从1972年Honda和Fujishima首次报道紫外光激发TiO₂光电催化分解水产氢，不同的光电化学电池(PEC)体系被设计以构造更加高效的光电催化材料。影响光电催化水分解的关键因素在于半导体能够受太阳光激发产生载流子，并可以有效地分离、迁移到半导体和溶液的界面发生水还原或氧化反应。

目前，随着化石燃料(煤炭、天然气、石油)的快速消耗，开发一种长期可持续大量供应的可再生能源迫在眉睫。太阳能燃料是指可以将太阳能转化为化学能的体系，比如H₂、甲醇、甲烷等，被认为是解决未来能源和环境问题最具发展潜力的策略。H₂是发展低碳经济最具潜力和优势的一种能源载体，与相同质量的汽油、煤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，对周围环境无任何危害，因此被视为“绿色能源”。

光电催化分解水制氢反应的核心在于开发出性能优异的光电催化剂材料。作为一种最早被研究的n形半导体光催化材料，TiO₂被广泛地应用于环境净化、自清洁材料、产氢、光合成、有机合成和太阳能电池等领域。在众多的半导体光电催化材料中，TiO₂具有价廉、无毒、稳定性好、环境友好等优点，因而得到了广泛的研究，并被认为是最具发展前景的光电催化剂材料。然而，TiO₂的宽禁带(3.2eV)使其只能被波长<385nm的紫外光激发利用(仅占太阳光谱能量的5％)，其次TiO₂存在的光生电子和空穴对复合率较高等弊病，使其光催化活性相对较低。鉴于以上问题，针对TiO₂的改性被广大科技工作者开展了广泛而深入的研究。

为了提高二氧化钛的光催化性能，研究者最近在不断的尝试，希望通过制备特定的活性晶面，从而提高材料的光催化性能。但是，若某单一晶面所占比例过高，则会出现溢出效应，这是因为光生电子与空穴在单一晶面上的积累，会提高其复合几率，使得电子和空穴不能够被有效地分离，并转移到界面处进行反应。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种二氧化钛/碳气凝胶光阴极的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种二氧化钛/碳气凝胶光阴极的制备方法，以钛酸四丁酯为钛源，通过添加晶面封端剂、氧化剂，在水热条件下制备获得同时具有{101}和{001}晶面的锐钛矿型TiO₂纳米晶，再通过电泳沉积的方法将{101}-{001}TiO₂纳米颗粒负载到碳气凝胶电极上，制备得到{101}-{001}二氧化钛/碳气凝胶光阴极材料，具体包括以下步骤：

(1)称取钛酸四丁酯，再依次滴加封端剂和氧化剂，搅拌10～30min，得到前驱体溶液，然后移至反应釜中，密封后放入烘箱内在180～220℃温度范围内水热反应18～24h，反应结束后，将反应釜冷却至室温，对产物进行离心分离，并用去离子水、乙醇多次清洗，清洗完后，将样品置于真空干燥箱中，在60～80℃下干燥12～24h；

(2)将步骤(1)制备得到的{101}-{001}TiO₂纳米颗粒超声分散于丙酮中，然后加入碘单质，以碳气凝胶作为阴极，钛板作为阳极，并使得两电极之间的距离保持2cm，在10～15V电压下沉积0.5～1h，将上述材料沉积到碳气凝胶上，沉积完毕后将电极取出置于真空干燥箱中在60～80℃下干燥12～24h，即制备得到{101}-{001}二氧化钛/碳气凝胶光阴极材料。

步骤(1)中所述的封端剂为氢氟酸，所述的氧化剂为过氧化氢，步骤(1)中所述的钛酸四丁酯、封端剂、氧化剂的体积比为5：(0～0.6)：(0～6)。

步骤(2)中{101}-{001}TiO₂纳米颗粒在丙酮中的加入量为40～50mg/50～100mL丙酮，{101}-{001}TiO₂纳米颗粒与碘单质的质量比为40～50：10～20。