[发明专利]一种集成化氧化亚铜光阴极的制备和应用

说明书

本发明公开了一种基于集成化氧化亚铜光阴极的制备方法。该方法包括蛋白模板的制备，导电基底上制备空穴传输层的步骤，反蛋白氧化亚铜光子晶体结构的形成，以及保护层的制备。其特点在于，所述制备基于氧化亚铜光子晶体多重修饰的光阴极步骤包括：在有空穴传输层的基底上，自组装纳米级蛋白模板，然后通过电化学法电镀氧化亚铜和保护层，最后通过高温裂解法或溶剂吸脱法，形成具有反蛋白光子晶体结构的多功能光阴极。采用本发明所得的多层修饰的反蛋白Cu₂O光阴极呈现出有序多孔的结构并表现出光子晶体的特性，并通过控制蛋白模板的大小，调控反蛋白光子晶体内部形貌，叠加多层功能薄膜的辅助，达到三个目标：a，提高材料的光捕获能力；b，增加光生电荷分离效率及加快光生电子‑空穴从本体转移，防止其发生自身的氧化；c，以及通过保护层的存在避免氧化亚铜发生自身的还原。在光电联合催化二氧化碳反应中，集成化Cu₂O光阴极高效地将二氧化碳转化为一氧化碳（Φ_STC=1.6%，Yeild_CO=46.7 mmol/h）。

技术领域

本发明属于光电催化CO₂转化技术领域，涉及一种集成化氧化亚铜光电催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国工业的不断发展，我国对能源的需求持续上涨，化石能源的燃烧会排放出大量的二氧化碳，因此将CO₂转化为燃料或者有附加值燃料是解决能源短缺问题及环境问题非常有前景的选择。半导体材料可通过光电化学过程催化CO₂转化为有燃料或是有附加的化学品，引起了广泛的关注。。

氧化亚铜(Cu₂O)是一种天然存在的P型半导体材料。直接带隙为1.9～2.2eV，在光电催化水分解和光电催化CO₂还原等方面都有潜在的应用。然而影响Cu₂O光电催化性能的主要因素是有限的比表面积、光吸收能力、电荷分离效率，以及自身易受到光腐蚀，这些因素极大的限制Cu₂O在光电催化领域的应用。研究表明，通过构建异质结可以提高的光生电荷分离效率，同时引入空穴传输层和保护层可以进一步提高Cu₂O的稳定性。其外，将传统的平面电极结构设计成为多孔整列结构可以大大光电化学催化表面积。基于以上讨论，开发一种方法制备异质结结构、空穴传输层、保护层和活性光子晶体，将有望解决纯相Cu₂O材料存在的问题，这对与推动光电催化的发展有重要意义。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种多孔阵列结构的集成化氧化亚铜光阴极的制备方法，该法所制备的多孔阵列结构的集成化Cu₂O光阴极具有孔结构高度有序且集约电荷输运功能层，可应用于光电催化CO₂还原和水分解反应有良好的催化前景。

本申请将的PS微球在导电基底上进行自组装，并以此为模板在PS微球的空隙填充Cu₂O，并对Cu₂O进行进行不同空穴传输层和保护层的修饰。去除模板后得到一系列具有三维孔阵列结构的集成化Cu₂O光阴极。

一种集成化氧化亚铜(Cu₂O)光电催化材料的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括：空穴传输层的制备、模板的制备，将氧化亚铜沉积于模板上，去除模板，保护层的制备，得到所述集成化氧化亚铜光阴极；

其中模板为自组装在的基底上的聚苯乙烯(PS)微球。

所述空穴传输层选自无机半导体材料、有机材料中的至少一种；

优选地，所述空穴传输层选自FeOOH、MoO_x、WO_x、NiO、FTB (聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-CO-(4,4′-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺)])、PVK (聚乙烯基咔唑)、TCTA (三(4-咔唑基-9-基苯基)胺)、PEDOT:PSS (聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)中的至少一种；