[发明专利]一种Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法

说明书

本发明公开了一种Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法。通过阳极氧化Si质量分数为1％～10％的Ti‑Si合金制得0.5wt.％～2.0wt.％Si掺杂二氧化钛纳米管，所得纳米管阵列在500～625℃下热处理退火2小时得到锐钛矿晶型结构或锐钛矿/金红石混合晶型结构的Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极。本发明的Si掺杂二氧化钛纳米管阵列在可见光区域表现出较强的吸收，电极稳定性好，光解水制氢效率可高达0.57％,光解水制氢效率明显优于未掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极。

技术领域

本发明涉及的是二氧化钛纳米管光电催化领域，具体涉及一种Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法。

背景技术

氢能源是一种清洁、高效无污染的能源，对人类社会发展和进步具有重要意义。现在产氢的的方式主要还是以化石能源为主，经济性不高，不符合可持续发展的要求。自从日本科学家Fujisima和Honda发现半导体二氧化钛可以光解水产氢以来，二氧化钛作为一种廉价、无毒、稳定的半导体引起了科研工作者的广泛关注。然而，不可忽视的是二氧化钛存在两大缺陷：(1)半导体带隙较大(锐钛矿为3.2eV,金红石为3.0eV)，只能响应太阳光的紫外光部分能量，而紫外光谱能量只占太阳全谱能量的5％。(2)量子效率低。二氧化钛光生载流子的扩散路径较短，光生电子和空穴容易复合。这两方面的原因导致光催化效率不高。为了提高二氧化钛光解水制氢的性能，需要对二氧化钛进行改性。

Si元素掺杂二氧钛纳米管被报道是提高其光电化学特性的有效途径之一。全燮等人(Applied Surface Science 2008,255:2167-2172)通过一步阳极氧化法制备未掺杂二氧化钛纳米管阵列，然后以正硅酸乙酯作为Si源进行气相沉积或者热蒸发四氯化硅甲苯溶液，成功合成了Si掺杂二氧化钛纳米管。王浩伟等人(Scripta Materialia 2009,60:543-546)在含有HF/Na₂SiF₆的溶液中直接阳极氧化纯Ti片也制备了Si掺杂二氧化钛纳米管阵列。相对而言，这些制备方法存在着合成原料有毒、工艺复杂、成本高、不易控制等问题。到目前为止，通过直接阳极氧化Ti-Si合金基材制备Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的研究还未见报道。

为了充分利用离子掺杂和一维纳米结构的优点，本发明通过直接阳极氧化Ti-Si合金基材并且热处理退火制备了具有良好光解水制氢性能的Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种制备过程中原料无毒、制备条件简便、制备的电极稳定性好、光催化活性高、具有可见光光催化活性的Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法。

本发明的目的是通过如下手段实现的。

一种Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法，通过阳极氧化Ti-Si合金制得Si掺杂二氧化钛纳米管，所得纳米管阵列经过热处理退火得到Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极。

所述的Ti-Si合金基材通过真空电弧熔炼制得，合金中Si质量分数为1-10％。

所述的阳极氧化法，采用脉冲电压阳极氧化Ti-Si合金基材原位制备Si掺杂二氧化钛纳米管阵列，电解液为0.5wt.％NH₄F和3vol.％H₂O的乙二醇混合溶液，阳极氧化脉冲电压为40V，占空比为50％，频率为4000Hz，阳极氧化时间为20-30分钟。制得的Si掺杂二氧化钛纳米管中Si质量分数为0.5％～2.0％。

所述的Si掺杂二氧化钛纳米管阵列热处理退火，将制得的Si掺杂二氧化钛纳米管阵列，在500～625℃煅烧2小时，随炉冷却后得到锐钛矿晶型结构或锐钛矿/金红石混合晶型结构的Si掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极。其光解水制氢效率可高达0.57％，明显优于未掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的光解水制氢效率。