[发明专利]一种新型n-Cu2

说明书

本发明涉及一种新型n‑Cu₂O/CuO半导体光催化剂的制备方法，属于无机金属功能材料领域。首先采用水热法合成了Cu₂O/CuO复合材料，在反应结束后放入马弗炉内进行了退火处理。Cu₂O/CuO复合材料中Cu₂O的含量可以通过改变乙醇的量来实现合理调控。通过本发明，以高纯度Cu(NO₃)·3H₂O（≥99.5%），NH3和无水乙醇为原料，采用水热法，通过对原料称量、搅拌，水热制备，干燥等步骤，最终制备得到一种新型n‑Cu₂O/CuO半导体光催化剂，制备方法简单周期短，合成成本低廉且易于大量生产。

技术领域

本发明涉及一种新型n-Cu₂O/CuO半导体光催化剂的制备方法，属于无机金属功能材料领域。

背景技术

由于化石燃料污染严重且其资源有限，开发新能源已经迫在眉睫。氢气作为一种可再生且绿色环保的运输和便携式能源载体，已经受到了广泛的关注。然而找到可靠且可持续的制氢方法目前仍然是一个巨大的挑战。各项研究工作都致力于开发一种高效的制氢工艺，而在众多的研究方法中，光电化学(PEC)裂解水被认为是最可持续和最有前途的方法。PEC装置只需要半导体电极、水和太阳光即可，将太阳能转化为化学能不仅可以减少碳排放，还可以提高能源供应的安全性。在PEC器件中，半导体光电极材料是关键所在，因为它的作用是吸收太阳光并产生电子-空穴对。而一般来说，合理的能带排布和有效的载流子分离是选择电极材料的主要标准。考虑到价格和可持续性等因素，最好使用低成本的过渡金属来改善PEC性能。在这些过渡金属半导体材料中，铜氧化物由于其制造成本低、光学带隙和电导率适中，被认为是最具前景的一种PEC裂解水光催化剂，并且目前也有许多报道证实了铜在PEC水裂解方面确实比贵金属有优势。氧化铜(CuO)和氧化亚铜(Cu₂O)是铜氧化物的两种主要类型，这两种相均可用于PEC水裂解。Cu₂O和CuO是非常常见的p型半导体材料，带隙分别为2.1eV和1.7eV。但有趣的是，Cu₂O在p型和n型之间可以表现出可调谐的半导体特性，p型特性是由铜空位引起，其受主能级在0.45-0.55eV之间，而n型特性则是由氧空位引起，施主能级为0.38eV。特别是铜的价态可以在Cu₂O和CuO之间发生热力学变化，为Cu₂O/CuO二元结构的组装提供了可能，从而使形成的异质结具有更高的催化性能。半导体异质结是提高PEC性能的一种有效方法，因为其特殊的能带排布可以有效地减少载流子的复合。然而，由于合成方法的限制，制备这种Cu₂O/CuO纳米结构的研究很少，且已报道的方法往往都比较复杂，如自旋镀膜、电化学沉积、溅射沉积以及改变退火温度或气氛。Yang等人采用重复双电位脉冲计时安培(r-DPPC)方法合成Cu₂O/CuO双层复合材料来作为光电阴极，而在另一项研究中通过调整300～400℃的不同退火温度，在ITO基体上对Cu进行热氧化使之在ITO基体上形成纳米结构的Cu₂O/CuO络合物薄膜，然而目前报道的方法大多都难以实现合理的调控。此外，目前广泛报道的Cu_xO复合材料为p-Cu₂O/CuO异质结，采用n-Cu₂O/CuO异质结来作为光电阴极用于PEC水裂解的研究却很少。

所以在这里我们报道一种新型n-Cu₂O/CuO半导体光催化剂的制备方法，简便且快速的水热合成方法。与常规方法不同的是，可以通过改变溶剂中乙醇的含量来合理地调控Cu_xO复合材料中Cu₂O的含量。乙醇作为一种软还原剂，在缓慢的反应过程中为CuO转化为Cu₂O提供了可能。

发明内容