[发明专利]一种钒掺杂ZnO纳米棒阵列光阳极及其制备方法和应用

说明书

本发明主要属于光电化学解水制氢领域，具体涉及一种钒掺杂氧化锌纳米棒阵列光阳极及其制备方法和在光电化学解水制氢的应用。所述方法为：分别制备获得ZnO籽晶液、钒掺杂溶液、生长溶液；在导电玻璃上旋涂所述ZnO籽晶液，经过匀胶、退火后获得表面覆有ZnO籽晶层的导电玻璃；将所述表面覆有ZnO籽晶层的导电玻璃放入所述钒掺杂溶液和所述生长溶液的混合溶液中进行水热反应，反应结束后用去离子水洗涤，并在马弗炉中退火，得到所述钒掺杂ZnO纳米棒阵列。本发明所提供的钒掺杂氧化锌纳米棒阵列光阳极延长了载流子寿命，降低了电子空穴的复合，提高了光电化学解水性能。

技术领域

本发明主要属于光电化学解水制氢领域，具体涉及一种钒掺杂ZnO纳米棒阵列光阳极及其制备方法和应用。

背景技术

太阳光分解制备的氢气被认为未来应对能源需求中最清洁的能源。而在目前不同制备方法中，光电化学解水因为其高效率和环保，被认为是最优发展潜力的途径之一。光电化学体系中，光阳极的选择和设计是最关键的一环，因为光电极的光吸收能力和载流子迁移率极大地决定着光电化学性能的好坏。氧化锌由于其相对合适的能带位置、优异的载流子传输速率和形貌多样易制备，是一种有潜力的光电解水光阳极材料。然而，由于氧化锌的光生电子空穴表面复合严重，极大限制了光阳极性能的提升。因此，需要对氧化锌进行材料掺杂改性，减少光生载流子的复合，提升光生载流子的分离，从而提高其光电化学性能，进而走向实用化和工业化。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种钒掺杂氧化锌纳米棒阵列光阳极及其制备方法和在光电化学解水制氢的应用。采用钒掺杂氧化锌纳米棒阵列光阳极可以有效减少ZnO光阳极的表面复合问题，且光阳极光解水性能可以通过外加电场调控纳米棒光阳极极化方向而进行调控。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钒掺杂氧化锌纳米棒阵列光阳极的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）分别制备获得ZnO籽晶液、钒掺杂溶液、生长溶液；

（2）在导电玻璃上旋涂所述ZnO籽晶液，经过匀胶、退火后获得表面覆有ZnO籽晶层的导电玻璃；

（3）将步骤（2）中得到的所述表面覆有ZnO籽晶层的导电玻璃放入所述钒掺杂溶液和所述生长溶液的混合溶液中进行水热反应，反应结束后用去离子水洗涤，并在马弗炉中退火，得到所述钒掺杂ZnO纳米棒阵列光阳极。

进一步地，步骤（1）中：

所述ZnO籽晶液的制备具体为：将乙酸锌和乙醇胺溶解在乙二醇独甲醚中，制备获得浓度为0.5 M的ZnO籽晶液；其中，乙酸锌和乙醇胺溶的摩尔质量比为：1:1；

所述钒掺杂溶液的制备方法具体为：将五氧化二钒溶解在去离子水中，获得浓度为1mM的所述钒掺杂溶液；

所述生长溶液的制备方法具体为：将六水合硝酸锌和六次甲基四胺溶解在去离子水中，得到浓度为50 mM的所述生长溶液，其中所述六水合硝酸锌和所述六次甲基四胺的摩尔质量比为：1:1。

进一步地，所述步骤（2）具体为：在洗净的FTO导电玻璃上滴加步骤（1）所制备的所述ZnO籽晶液，然后在2500-4500 rpm的转速下旋涂30-60s，放入马弗炉中，在300-400℃、空气氛围下退火20-30 min，得到表面覆盖有ZnO籽晶层的FTO导电玻璃。

进一步地，所述步骤（3）具体为：所述导电玻璃采用FTO导电玻璃，将步骤（2）中得到的表面覆有ZnO籽晶层的FTO导电玻璃放入步骤（1）制备的所述钒掺杂溶液和所述生长溶液的混合溶液中进行水热反应，反应结束后用去离子水洗涤，并在马弗炉中退火，得到垂直生长在FTO导电玻璃基底上的钒掺杂ZnO纳米棒阵列光阳极。