[发明专利]三元复合TiO2

说明书

本发明属于光电化学水分解技术领域，涉及三元复合TiO₂‑STO‑CdS NRs光电极的制备：含有0.2～0.5M盐酸羟胺和0.1～0.25M Na₂S·9H₂O的混合溶液转移高压反应釜内，浸入TiO₂ NR阵列电极，水热反应2～10h，将含表面无定形纳米层的TiO₂ NR阵列电极放入高压反应釜内，倒入0.01～0.03M的Sr(OH)₂·8H₂O水溶液浸没，水热反应得TiO₂/STO NRs；通过化学浴沉积法在STO纳米层表面沉积均匀分布的CdS量子点，实现1D/0D异质结和界面铁电极化诱导的偶极子层的耦合。本发明所构建的三元复合TiO₂/STO/CdS NRs光电极应用于高效PEC水分解。铁电STO纳米层会产生强而持久的自发极化，引起从STO/CdS界面指向TiO₂/STO界面的极性电荷感应电场。三元异质结和STO极性电荷感应电场耦合，协同赋予持久快速的光生电荷分离能力，抑制可能的体或界面电荷复合。

技术领域

本发明属于光电化学水分解技术领域，涉及复合光电催化剂，特别涉及一种三元复合TiO₂ -STO-CdS NRs（TiO₂ /STO/CdS NRs）光电极的制备方法及其应用。

背景技术

光电化学分解水为通过转换太阳能生产化学燃料提供了有效途径。本质上，光电化学反应即为光电转换的过程，包括电荷载流子的光激发、分离和转移。基于此，TiO₂纳米棒（NR）阵列已被认为是一种非常有前途的水分解用光电化学光电极，因其拥有高长宽比的特定一维结构，具有很强的光俘获能力和定向电子传输、转移能力。尽管拥有上述有利特性，但仍有一些不可避免的缺点限制了TiO₂ NR的光电化学活性，包括太阳光利用不足和TiO₂ NR中光生电荷载流子在体或表面上的严重复合，其源于：（1）宽带隙（3.0～3.2 eV）导致的太阳光谱吸收范围窄（紫外光，仅占太阳光的5％）；（2）TiO₂光生载流子扩散路径短导致的电荷分离效率低。

近年来，窄带隙半导体复合的TiO₂ NR阵列光阳极在光电化学分解水应用中表现出突出的优越性，一方面，此结构将带隙宽度窄的半导体作为复合吸光层，大大增加了TiO₂NR阵列光阳极的可见光响应光电化学活性；另一方面，两种半导体材料形成异质结结构，由于费米能级差异在界面处形成内建电场驱动光生电荷高效分离。然而，在光生电荷的内部传输过程中，TiO₂中的电子仍然倾向于发生体内复合。同时，TiO₂ NR表面上不可避免的电荷陷阱阻碍纳米材料复合光电极界面处的电荷转移。此外，在光反应过程中电荷载流子的快速积累将严重中和异质结之间的内建电场，导致分离电子-空穴对的驱动力逐渐减弱。这些固有缺陷严重制约着TiO₂ NR基异质结光电极的电荷分离效率，限制了其光电化学分解水性能。因此，迫切需要开发能够兼顾地解决上述问题的集成化设计，以最大限度地提高TiO₂NR基异质结光电极的光电化学活性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的一个目的在于公开了一种三元复合TiO₂ /STO/CdSNRs光电极的制备方法。

技术方案

利用简单的原位水热转换法，在TiO₂ NR表面构建一层紧密包覆的铁电体SrTiO₃（STO）纳米层，再通过化学浴沉积法在STO纳米层表面沉积均匀分布的CdS量子点，从而实现了1D/0D异质结和界面铁电极化诱导的偶极子层的耦合，极好地调控了光电极的光生电荷分离效率。

一种三元复合TiO₂ /STO/CdS NRs光电极的制备方法，包括如下步骤：