[发明专利]一种混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法

说明书

本发明提供了一种混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法，具体包括以下步骤：Ti‑Nb合金经阳极氧化后再进行晶化处理，即得混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极；其中，所得混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的相结构为包括锐钛矿晶型结构和金红石晶型结构的混晶相。本发明一种混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法，工艺简单、安全、可靠，制备过程中所需原料来源广泛、成本低、无毒无害，制备过程所需设备投入低，大大降低了混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备成本，通过本发明中的制备方法获得了一种价格廉价、环境友好同时具有优异的光阳极稳定性及光电催化性能的光阳极材料。

技术领域

本发明涉及光电催化技术领域，具体地，涉及一种混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法。

背景技术

光电催化分解水制氢是解决能源和环境污染问题的一项重要技术。光电催化水分解制氢技术最早是由日本的Fujishima(藤岛昭)和Honda(本多健一)两位学者于1972年报道，他们发现，利用TiO₂作为光催化剂可以将水分解为氧气和清洁无污染、热值高、便于储存运输的氢气。自“Fujishima-Honda”效应报道以来，纳米TiO₂由于其廉价无毒、化学性质稳定等特点引起了科研工作者的广泛关注。然而，由于TiO₂具有较大的禁带宽度(锐钛矿为3.2eV，金红石为3.0eV)和载流子易于复合等本征缺陷导致其光制氢效率较低。

一维TiO₂纳米管不仅具有较高的比表面积，而且还可提供单向电子传输通道，这在一定程度上促进其光吸收并提高了量子产率。除了纳米结构设计之外，合适的元素掺杂可以进一步增强可见光吸收、延长光生电子-空穴对的复合时间，从而有效促进光制氢转换。

在诸多可掺杂元素中，Nb⁵⁺因具有与Ti⁴⁺十分相近的离子半径，可作为理想的掺杂元素之一。实验研究证明，Nb掺杂后的介孔TiO₂电导率比未掺杂TiO₂高出两个数量级(参考Wang Yude*,Bernd Smarsly,Igor Djerdj,Niobium doped TiO₂ with mesoporosity andits application for lithium insertion,Chemistry of Materials,2010,Vol.22,No.24,6624～6631)，Nb⁵⁺掺杂替代Ti⁴⁺能有效提高TiO₂中光生电荷转移速率(参考M.Fehse,S.Cavaliere,P.E.Lippens,I.Savych,A.Iadecola,L.Monconduit,D.J.Jones,J.Rozière,F.Fischer,C.Tessier and L.Stievano,J.Phys.Chem.C,2013,117,13827–13835)，此外，现有研究表明，合理的锐钛矿/金红石混晶异相结构设计也有助于加快光生载流子分离效率。

现有混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法存在以下问题：工艺复杂、原材料成本高、制备所需设备价格昂贵等问题，因此，亟需研究开发一种工艺简单安全且成本低的方法来制备混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极，同时保证制备所得混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极具有优异的光电流稳定性和光电催化性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：一种混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的制备方法，包括以下步骤：Ti-Nb合金经阳极氧化后再进行晶化处理，即得混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极；其中，所得混晶相铌掺杂二氧化钛纳米管阵列光阳极的相结构为包括锐钛矿晶型结构和金红石晶型结构的混晶相。

具体地，所述Ti-Nb合金通过真空电弧炉熔炼制得。