[发明专利]氮掺杂碳点修饰三氧化钨复合光电极及其制备方法、和在光电催化分解水中的应用

说明书

本发明公开了一种三氧化钨复合光电极及其制备方法，包括以下步骤：先在导电玻璃上生成三氧化钨薄膜，得到基片，再将基片经水热、退火处理制得三氧化钨纳米片光电极，然后制备氮掺杂碳点溶液，在三氧化钨纳米片光电极上采用浸渍组装法修饰氮掺杂碳点；本发明还公开了该复合光电极在光电催化分解水中的应用。本发明制得的NCDs/WO₃光电极的导电性和光生载流子的转移效率得到改善，有效地提高复合光电极的导电性，也可以降低三氧化钨表面电荷复合严重的问题，从而提高三氧化钨的光电催化效率，最终提高了该复合光电极光电催化分解水的效率。

技术领域

本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳点修饰三氧化钨复合光电极及其制备方法、和在光电催化分解水中的应用。

背景技术

目前，能源危机越来越严重，如何开发并且利用可再生的清洁能源越来越引起人们的关注。自然界中太阳能储备量极大且无污染，是一种理想的可再生资源。自从1972年由Fujishima报道了TiO₂光电极可以利用太阳能制氢提供清洁的、绿色的能源[A.Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38]，利用纳米结构的过渡金属氧化物半导体材料（如TiO₂，Fe₂O₃，WO₃）通过光电化学（PEC）催化分解水生成氢气和氧气的这种方法被认为是一种有前途的环保路线。

金属半导体氧化物三氧化钨（WO₃）作为一种光阳极材料已经被广泛应用于光电催化分解水反应中。WO₃属于n型间接带隙半导体，其禁带宽度为2.5~2.8 eV且价带电位比较高（3.0 eV vs. RHE）。此外，与其它金属半导体材料相比，WO₃具有一些独特的光电化学性质。例如，WO₃可以吸收近12%的太阳能光谱吸收，其空穴扩散长度约为150 nmWO₃有较高的电子迁移效率（12 cm² V^-1 s^-1）。同时，WO₃也是一种低成本、无毒、环境友好的半导体材料。基于这些优异的性质，WO₃在光降解、太阳能驱动光电化学等领域引起人们广泛的研究。尽管如此，WO₃仍然受限于其空穴动力学缓慢，在半导体/电解质界面处电荷转移较慢且电子-空穴快速复合，因此，WO₃光电极的PEC性质仍然远低于其理论值（~5 mA cm^-2）。如何进一步提高WO₃对光利用率并提高电子空穴分离效率成为人们研究的热点问题。研究表明，通过元素掺杂、选择性掺杂半导体[T. Zhang, Z. L. Zhu, H. N. Chen, et al., Nanoscale,2015, 7, 2933-2940.]、构筑纳米结构[P. M. Rao, L. Cai, C. Liu, et al., NanoLett. 2014, 14, 1099-1105.]及碳基材料修饰[W. N. Shi, X. F. Zhang, J. Brillet,et al., Carbon, 2016, 105, 387-393]等方法可以提高电子转移效率，减小电子-空穴的复合从而提高WO₃的光电催化效率。