[发明专利]一种三维ZnO/CuO纳米异质分级结构光电极的制备方法

说明书

本发明涉及纳米半导体材料和新能源领域，确切地说是一种新型半导体光电极的结构及其制备方法。本发明一种三维ZnO/CuO纳米异质分级结构光电极，该对电极是在片状导电基底的一面通过水热法制备一层氧化锌纳米棒阵列，然后再通过水热法在氧化锌纳米棒的表面生长树枝状氧化铜纳米棒的分级结构。

技术领域

本发明涉及纳米半导体材料和新能源领域，确切地说是一种新型半导体光电极的结构及其制备方法。

背景技术

用于绿色清洁能源的太阳电池、光催化和光电化学分解水通常需要廉价高效且稳定的半导体光电极。CuO是一种p型半导体，带隙为1.2-1.9 eV，且具有较好的热稳定性、无毒性和较高的光吸收系数等优点[Scientific Reports, 2019, 2360]。垂直衬底生长的金属氧化物阵列（如ZnO, TiO₂）为增强太阳电池光电转换以及太阳能光解水性能提供了有效的途径，因为它们可增加表面积，而且电荷的径向传输可提高电荷的收集效率，减少载流子复合[Nanoscale, 2019, 1147]。然而单一的半导体通常光生电荷复合较高，电荷分离效率不高。目前核/壳异质结构的形成可增加电荷分离，从而增强CuO光阴极的光电转换性能。与核/壳异质结构相比，枝状分级异质结构由于表面积的增加，改善其光吸收光解水产生的气体的逸出。另外，由于枝状分级异质结构中光生载流子与半导体-电解质界面之间的紧密接近，还可导致更有效的电荷分离和收集。

目前，已有报道在CuO纳米棒（纤维）阵列的表面通过二次生长ZnO纳米棒制备出了CuO/ZnO纳米异质分级结构阵列用于光电化学转换研究。例如，韩国济州大学的Lee等人以及中国科学院合肥智能机械研究所的黄行九研究员课题组他们首先在铜基底上利用电沉积法/热氧化法制备出铜纳米棒阵列，然后利用水热法生长在CuO纳米棒表面生长出ZnO纳米棒[International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41, 2253; Langmuir 2011,27, 6193]。苏州大学李亮教授课题组使用简便的水浴反应过程以及原子层沉积技术，在导电玻璃表面先生长出CuO纳米棒然后水热生长出ZnO纳米棒形成三维分级结构 [Science China. Materials, 59, 825]。

现有专利201910498571.5，其公开的内容为CuO纳米颗粒修饰ZnO纳米线，该技术方案附着的CuO较少，影响了产品性能。

发明内容

本发明目的是为了弥补已有技术的缺陷，利用水热法在先生长ZnO纳米棒阵列，然后再通过二次水热法在ZnO纳米棒的表面生长出CuO纳米棒分级结构，该结构可以作为光电化学的光电极产生光电流。该发明提供一种成本较低，可以在空气中制备，环境友好、工艺简单，且便于大面积制作的光电极及其制备方法。

三维ZnO/CuO纳米异质分级结构光电极，该对电极是在片状导电基底的导电层上通过水热法制备一层ZnO纳米棒阵列，然后通过水热法在ZnO纳米棒表面上生长CuO纳米棒分级结构。

所述的ZnO纳米棒阵列的长度为400 nm、直径为20-50 nm、ZnO纳米棒的数量密度为3-6×10² 个/μm²，CuO纳米棒长度为50-200 nm、直径为20-40nm。

所述的三维ZnO/CuO纳米异质分级结构光电极的制备方法，步骤包括：

1）将0.3-0.4克乙酸锌溶解于1.8-2.2克水中，搅拌溶解后加入7-9毫升无水乙醇和180-220微升冰乙酸，在室温下搅拌得到无色澄清透明溶液；