[发明专利]一种核壳结构复合光电材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种核壳结构TiO₂@CdSe复合光电材料的制备方法及其在可见光光电催化中的应用，该复合光电材料是以水热法制备的一维TiO₂纳米棒阵列作为核层，通过电化学沉积方法引入CdSe作为壳层而制得。本发明复合光电材料的制备方法简单，易于操作，且其可作为光电阳极，在以0.2 mol/L硫化钠溶液作为电解液的条件下，在可见光作用下展现优异的光电性能，适合推广应用。

技术领域

本发明属于光电催化材料制备领域，具体涉及一种核壳结构TiO₂@CdSe复合光电材料的制备方法及其应用。

背景技术

能源和环境问题是人类所面临的两大问题。以半导体材料为催化剂的光催化技术，因能在室温下把太阳能转化成化学能，光催化分解水制氢和制氧气，还原温室气体二氧化碳和分解有机污染物，被认为是最理想和最有发展前景的技术。自1972年首次发现半导体TiO₂单晶光电极在紫外线的作用下能将水分解成氢气和氧气以来，光催化已经成为一门新兴学科，受到国内外各个领域研究者的青睐。然而，迄今为止由于光催化材料的限制，光催化技术尚未实现大规模商业化。所以，开发出高效、稳定和低廉的光催化系统，是当前和未来光催化研究的最前沿及最核心的问题之一。

与粉末光催化相比，光电催化水分解具有更高的太能阳转化效率，一直被认为有更加光明的产业化应用前景。从理论上讲，一维（1D）结构与其它维度的纳米材料相比，具有更连续的电荷传输通道和更少的颗粒边界，更有利于空间电荷的分离和传输，所以它产生的电子传输速度比普通纳米材料快，并且TiO₂具有价格低廉、催化活性和稳定性高等优点，因此一维TiO₂纳米棒阵列被认为是最具有应用前景的光电阳极材料之一。自2009年Liu（J.Am. Chem. Soc., 131 (11), 39853990.）等人首次在透明导体FTO上合成了一维单晶TiO₂纳米棒以来，与一维TiO₂纳米管、二维TiO₂纳米片以及三维的TiO₂纳米颗粒相比，一维单晶TiO₂纳米棒已经脱颖而出成为染料敏化太阳能电池和光电催化领域中最具潜力的光阳极材料。但是金红石TiO₂纳米棒阵列的禁带宽度较大，只能利用太阳光谱中4%左右的紫外光区域，并且它的电子迁移率低（1 cm²/V/s）、空穴的扩散程短（10-100 nm），限制了光生电子-空穴的分离和转移，导致了其太阳能利用率和光电转化效率低。

CdSe是一种非常重要的II–VI族半导体，它的带隙是1.75 eV，具有与太阳光谱中可见光波段相适应的带宽，并且导带位置比TiO₂的高，便于光生载流子的迁移，是一种优秀的敏化剂。CdSe能有效地增强TiO₂纳米管阵列的光吸收效率，促进光生载流子的分离和转移，进而大幅度地提高其光电催化分解水的性能。同时，量子点形态的CdSe具有更大的比表面积和更多的活性位点，并且量子尺寸效应以及衍生出的其它物理效应，会使半导体的带隙增宽，从而增强其氧化还原电势，提升催化反应的驱动力，可促使催化反应顺利进行。因此，本发明充分利用一维TiO₂纳米棒阵列的优势，通过电化学沉积的方法引入CdSe纳米材料，构建出高效的TiO₂@CdSe复合光电阳极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核壳结构TiO₂@CdSe复合光电材料的制备方法及其应用，所得一维核壳结构的TiO₂@CdSe光电材料具有可见光吸收能力，并展示了优异的光电性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：