[发明专利]TiO2

说明书

本发明公开了一种TiO₂/BiFeO₃/BiOI三元纳米异质结光电极及其制备方法和应用，基于TiO₂/BiFeO₃/BiOI三元纳米异质结光电极及其制备方法，电极组成包括有导电玻璃衬基、TiO₂纳米棒阵列、BiFeO₃电荷分离修饰层、BiOI光吸收层。以垂直生长于FTO衬基上的TiO₂纳米棒阵列作为模板，利用溶液旋涂和退火的方式将BiFeO₃电荷分离层修饰在TiO₂纳米棒阵列的表面，再通过多次溶液旋涂和退火的方式在纳米棒中间填充BiOI光吸收层。本发明所得到的TiO₂/BiFeO₃/BiOI三元纳米异质结光电极产生的光电流比参比BiOI/TiO₂二元纳米异质结产生光电流高出近8倍。本发明制备方法简便，BiFeO₃电荷分离修饰层以及BiOI的沉积简单且易控。

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纳米异质结光电极的结构及其制备方法和应用。

背景技术

随着无污染新能源材料的迅速发展，环境友好型光电化学电池材料已成为研究热点。P型氧碘化铋(BiOI)由于其窄带隙(1.6-1.9eV)有利于可见光捕获，成为一种有潜力应用价值的光电化学器件材料【ActaPhys.-Chim.Sin.,37, 2011022,2021】。BiOI材料是一种间接带隙过渡材料，易于在氧卤化铋中制备。但是，由于光生电荷的快速复合速率，单一的BiOI材料的光电化学性能仍需改进【Chen,Chem.Eng.J.,428,131158,2022】。近年来，研究人员采取了许多策略来解决这一问题，如杂质掺杂、贵金属负载、纳米结构设计、异质结构建等。在上述策略中，异质结的引入已被证明是提高BiOI光活性半导体光生电荷分离效率的有效途径【J.Mater.Sci.Technol.,56,133,2020】。

近年来，TiO₂/BiOI、Bi₂O₃/BiOI、ZnO/BiOI、BiPO₄/BiOI的二元异质结光电极已经成功合成，并且发现它们的光电化学性能优于纯BiOI，而增强光电转换的主要原因是异质结可以产生内置电场来分离电荷【Nanoscale.,13,4496, 2021】。尽管基于BiOI的二元异质结方法在制备技术和光电化学应用方面取得了一些进展，但两种组分之间的能带偏移仍然不合适，这可能会影响光致电子- 空穴对的分离。这需要界面工程能量学来提高工作条件下完全解离的电子和空穴载流子的产率。因此，界面工程的研究和开发对于优化BiOI基异质结的性能非常重要。

本发明中，我们引入了TiO₂/BiFeO₃/BiOI三元异质结，用于光电化学电池光电极。其中BiOI为主要光吸收层，BiFeO₃作为铁电材料作为界面改性剂，利用BiFeO₃引起的自极化效应促进TiO₂/BiOI界面上光生电子和空穴的解离，TiO₂为纳米阵列结构，提供电子的径向传输通道。

发明内容

本发明目的是为了弥补已有技术的缺陷，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和应用，具体方案如下：

一种TiO₂/BiFeO₃/BiOI三元纳米异质结光电极，在导电玻璃基底上利用溶剂热法先生长TiO₂纳米棒阵列，然后通过旋涂法在TiO₂纳米棒的表面生形成 TiO₂/BiFeO₃核壳结构，最后在TiO₂/BiFeO₃核壳结构通过多次旋涂BiOI前驱液形成TiO₂/BiFeO₃/BiOI三元纳米异质结。