CN110706933B - 二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，涉及光电化学领域。提供了一种以金红石TiO2纳米棒为基础的光阳极g‑C3N4/SrTiO3/TiO2的制备方法。首先利用水热法在FTO基底上构筑一层TiO2纳米棒阵列膜；再通过第二次水热反应，将TiO2纳米棒表面部分TiO2转化为SrTiO3，得SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜；最后通过化学气相沉积(CVD)技术在SrTiO3/TiO2复合膜的表面沉积g‑C3N4层，获得g‑C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜光阳极。由于复合膜中光生电子和空穴有效的分离与转移，极大地抑制了光生电荷的复合，使得该复合材料具有很高的光电转化效率。

Description

二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法
技术领域
本发明涉及光电化学领域，尤其是涉一种具有良好光生阴极保护性能的二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法。
背景技术
TiO2是光电化学领域研究最多的半导体材料。该材料的形貌是影响其光电化学性能的一个重要因素。目前，研究者们通过不同的制备工艺可以获得多种形貌的TiO2半导体纳米材料，如纳米颗粒、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带、纳米片以及网格状、花状等材料[1-3]。在光生阴极保护研究中，光阳极材料的开发主要集中在制备TiO2纳米颗粒和纳米管薄膜。一维TiO2纳米棒(特别是纳米棒阵列)，与TiO2纳米管阵列类似，能够为电子提供定向的转移路径，从而缩短电子转移的路程，提高电子传输效率。通过水热法可以在FTO导电玻璃上制备单晶金红石TiO2纳米棒阵列膜，通过控制反应溶液浓度、反应时间、温度等因素可以调控TiO2纳米棒的长度和密度[4]。由于其可以直接生长在基底上，而且能够得到单晶结构，是非常合适的光生阴极保护光阳极材料。
金红石(Rutile)是TiO2在热力学上最稳定的晶型，其禁带宽度比锐钛矿TiO2稍小，约为3.0eV。与锐钛矿相似，金红石在光电化学应用中也面临一些问题[5]。为了有效地利用金红石TiO2，研究者们开发了一系列的改性方法，以提高其光电化学性能，其中半导体复合是最有效的改性方法之一。将其他半导体与TiO2复合，可以提升TiO2的光响应，抑制电子-空穴的复合，如CdS[6]、Bi2S3[7]、Ag2S[8]、Co3O4[9]等。SrTiO3是一种典型的钙钛矿型半导体，在光解水和光降解有机物等方面都有良好的应用。SrTiO3的禁带宽度为3.2eV，其导带位置比TiO2的导带高0.2eV，根据能带匹配原则，SrTiO3和TiO2复合可以形成有效的异质结结构，形成电子和空穴的空间离域，从而促进载流子的分离。另一方面，SrTiO3可以通过TiO2直接转化而获得，即可以在获得的TiO2的基础上进一步反应直接制备SrTiO3/TiO2复合材料[10]。
SrTiO3与TiO2复合后能够有效地抑制TiO2中载流子的复合，促进电子的转移。但是，受限于两者较大的禁带宽度，该复合膜的光响应性能并没有显著的提升。为了扩展复合膜的光吸收范围，需要再引入一种具有可见光响应的半导体，并且要求改半导体的能带必须与SrTiO3/TiO2的能带相匹配。石墨氮化物(g-C3N4)是一种共轭聚合物光催化剂，已在太阳能转化和环境修复等领域引起了广泛的关注。g-C3N4具有特殊的电子能带结构、良好的稳定性和易于制备、无污染等优点，而且，g-C3N4中不含金属元素，禁带宽度为2.7eV，具有一定的可见光响应，其导带位置在-1.3eV，高于SrTiO3导带，能够与SrTiO3/TiO2能带匹配，并在g-C3N4/SrTiO3界面形成异质结结构，促进g-C3N4导带电子向SrTiO3导带转移，所以g-C3N4是扩展SrTiO3/TiO2光吸收范围的合适选择[11,12]。g-C3N4可以通过简单的热缩聚方法获得。热缩聚的前驱物质主要包括尿素、三聚氰胺、双氰胺、氰胺、硫脲、硫氰酸铵等，通过气相沉积法可以将g-C3N4负载到基体材料表面[13]。
至今，尚没有关于的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜作为光阳极应用于对金属实施光生阴极保护的报道。
参考文献：
[1]X.D.Wang,Z.D.Li,J.Shi,Y.H.Yu,One-dimensional titanium dioxidenanomaterials:nanowires,nanorods,and nanobelts,Chemical Reviews,2014,114:9346-9384.
[2]K.Lee,A.Mazare,P.Schmuki,One-dimensional titanium dioxidenanomaterials:nanotubes,Chemical Reviews,2014,114:9385-9454.
[3]D.Fattakhova-Rohlfing,A.Zaleska,T.Bein,Three-dimensional titaniumdioxide nanomaterials,Chemical Reviews,2014,114:9487-9558.
[4]B.Liu,E.S.Aydil,Growth of oriented single-crystalline rutileTiO2nanorods on transparent conducting substrates for dye-sensitized solarcells,Journal of the American Chemical Society,2009,131:3985-3990.
[5]H.E.Wang,Z.Chen,Y.H.Leung,C.Luan,C.Liu,Y.Tang,C.Yan,W.Zhang,J.A.Zapien,I.Bello,S.T.Lee,Hydrothermal synthesis of ordered single-crystalline rutile TiO2nanorod arrays on different substrates,Applied PhysicsLetters,2010,96:263104.
[6]C.Wang,Z.Jiang,L.Wei,Y.Chen,J.Jiao,M.Eastman,H.Liu,Photosensitization of TiO2nanorods with CdS quantum dots for photovoltaicapplications:A wet-chemical approach,Nano Energy,2012,1:440-447.
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[9]C.Cao,C.Hu,W.Shen,S.Wang,J.Wang,Y.Tian,Fabrication of a novelheterostructure of Co3O4-modified TiO2nanorod arrays and its enhancedphotoelectrochemical property,Journal of Alloys and Compounds,2013,550:137-143.
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[13]W.J.Ong,L.L.Tan,Y.H.Ng,S.T.Yong,S.P.Chai,Graphitic carbon nitride(g-C3N4)-based photocatalysts for artificial photosynthesis and environmentalremediation:Are we a step closer to achieving sustainability？ChemicalReviews,2016,116:7159-7329.
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有级联结构的能带排布，可显著促进光生电荷的分离与转移，具有优异的光电转化性能，可有效对金属实施光生阴极保护的二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法；所述二氧化钛纳米棒复合光阳极为g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜。
本发明包括以下步骤：
1)FTO基体的预处理：将透过率＞90％的FTO导电玻璃切割成矩形的试样，长度15～25mm，宽度10～15mm，厚度2.2～2.3mm，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20～30min，烘干备用；
2)制备TiO2纳米棒阵列膜：通过水热法在FTO上制备TiO2纳米棒阵列膜，采用的溶液为钛酸四丁酯溶液，首先配制浓盐酸与去离水比例1︰1的盐酸溶液50～80mL，充分搅拌后，逐滴加入钛酸四丁酯1～2mL，继续搅拌直至得到澄清的溶液；将3～5块清洗好的FTO试片固定在具有一定倾斜度的样品台上，保证试片导电面倾斜向下，然后将配制好的钛酸四丁酯溶液与安放了FTO的样品台转移到100mL的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封后于烘箱中进行反应，水热反应在140～155℃温度下进行，反应时间为3～6h，反应结束后自然冷却至室温，取出样品用去离子水清洗，然后于60～80℃下烘干，得到TiO2纳米棒阵列膜；
3)制备SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜：将Sr(OH)2·8H2O溶于去离子水中得到水热反应所需的溶液；将未退火处理的TiO2纳米棒膜样品放置于100mL聚四氟乙烯内衬的水热釜，保持有TiO2纳米棒膜的一面向上，加入配制好的Sr(OH)2溶液；水热反应后自然冷却至室温，取出样品在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡，除去多余的Sr(OH)2；浸泡结束后用去离子水清洗样品，去除多余的HCl，烘干，退火处理后，得到SrTiO3/TiO2纳米棒复合膜；
4)制备g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜：通过化学气相沉积法在SrTiO3/TiO2纳米棒膜上沉积g-C3N4，将尿素与三聚氰胺的混合物置于一个氧化铝坩埚中，然后将SrTiO3/TiO2纳米棒膜放置于距离坩埚底部一定距离的位置，保持SrTiO3/TiO2纳米棒膜层向下，并用氧化铝盖子将坩埚盖上；将坩埚置于马弗炉中，反应结束后冷却至室温，即得g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜样品。
在步骤3)中，所述Sr(OH)2·8H2O和去离子水的配比可为(0.3～0.6)g︰(40～80)mL；所述水热反应的温度可为180℃，水热反应的时间可为0.5～2h；所述浸泡的时间可为3～5min；所述烘干的温度可为60～80℃；所述退火处理的温度可为430～470℃，退火处理的时间可为1.8～2.2h，升温速率5℃/min。
在步骤4)中，所述混合物中尿素与三聚氰胺的配比可为1︰1，所述混合物的加入量可为3～7g；所述反应的温度可为500～540℃，反应的时间可为1～5h，升温速率可为5℃/min。
本发明所制备的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜样品光电流密度随时间变化曲线测试如下：
采用CompactStat.e便携式电化学工作站测试制备的光阳极样品在不同光照条件下光电流密度随时间的变化曲线；测试在三电极体系中进行，其中TiO2纳米棒膜或g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜为光阳极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂丝为辅助电极，电解质溶液为(0.2～0.8)mol/L KOH溶液；光源为150W氙灯，发射的白光透过电解池壁上预留的石英窗口照射到光阳极表面。
本发明所制备的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜样品光阳极光生阴极保护效应测试如下：
测试在一个双电解池系统(光电化学电解池和腐蚀电解池)中进行；在光电化学电解池中，电解质溶液为(0.2～0.8)mol/L KOH溶液，g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜作为光阳极置于其中。在腐蚀电解池中，以被保护的金属电极(不锈钢等)作为工作电极，铂电极和SCE分别作为辅助电极和参比电极，电解质溶液为(0.4～0.8)mol/LNaCl溶液。光阳极与金属电极通过铜导线连接，光电化学电解池与腐蚀电解池通过盐桥(含饱和KCl的琼脂)连接。以150W高压氙灯作为白光光源，光照时光线通过光电化学电解池上的石英窗口照射于光阳极表面。用恒电位仪测定腐蚀电解池中被保护金属电极电位的在光照前后的变化，可以评价复合膜光阳极对金属的光生阴极保护作用。
本发明要解决的主要技术问题是，在单一TiO2膜光阳极或简单TiO2二元复合半导体材料中，光生电荷复合速度较快，导致其光电转换效率低。结合两次水热法和化学气相沉积技术在FTO基体上制备由g-C3N4和SrTiO3修饰的TiO2纳米棒阵列复合膜光阳极。该复合膜光阳极具有级联结构的能带排布，可显著促进光生电荷的分离与转移，具有良好的光电转化性能，可应用于对金属实施光生阴极保护。
本发明以水热法在FTO(掺杂氟的SnO2透明导电玻璃)基底上构筑的TiO2纳米棒阵列膜为基础，利用水热法使纳米棒表面的部分TiO2转化成SrTiO3，获得SrTiO3/TiO2复合膜，再用化学气相沉积技术在制备的SrTiO3/TiO2复合膜表面沉积g-C3N4层，获得具有特殊异质结结构的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜。在白光照射下，得益于其优异的光电化学性能，这种g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜作为光阳极可使金属材料得到有效的光生阴极保护。
本发明中复合膜光阳极光生阴极保护的基本原理是：在白光照射下，g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜中的各组分吸收能量合适的光波(TiO2和SrTiO3吸收紫外光，g-C3N4吸收紫外-可见光)，将各自价带中的电子激发至相应的导带，成为光生电子，价带中则生成光生空穴。由于三者导带位置的关系，光生电子可以从g-C3N4导带转移至SrTiO3导带，再转移至TiO2导带，然后通过TiO2纳米棒转移至FTO基底，最后通过外电路转移至被保护金属，使得金属被阴极极化而抑制其腐蚀。留在价带中的光生空穴则沿着与光生电子转移相反的方向转移至g-C3N4价带，最终与介质中的空穴捕获剂反应而被消耗。光生电子和空穴相反的转移方向使得其分离效率大大提高，从而提升了复合膜的光电化学性能，显示出优异的光生阴极保护性能。
本发明依次采用水热法在FTO表面制备TiO2纳米棒阵列膜，再采用第二次水热处理将TiO2纳米棒表面部分TiO2转化为SrTiO3，最后通过化学气相沉积法在SrTiO3/TiO2沉积g-C3N4，得到g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜。制备的复合膜作为光阳极，具有优异的光生阴极保护性能，可以实现对金属有效的光生阴极保护。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的表面形貌图(SEM)。其中，(a)为侧面图，(b)为俯视图。
图2为本发明实施例1制备的TiO2纳米棒阵列膜和g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的XRD图谱。其中，(a)为TiO2纳米棒阵列膜，(b)为g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜。
图3为本发明实施例1处于0.5mol/LNaCl溶液中的403不锈钢与不同光阳极连接，光照前后电极电位随时间变化曲线(Light on表示光照，Light off表示切断光源，即暗态)。其中，(a)连接TiO2光阳极，(b)连接g-C3N4/SrTiO3/TiO2光阳极；以及403SS在0.5mol/LNaCl溶液中的自腐蚀电位随时间变化。
图4为本发明实施例2制备的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的表面形貌图(SEM)。其中，(a)为侧面图，(b)为俯视图。
图5为本发明实施例2制备的TiO2纳米棒阵列膜和g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的XRD图谱。其中，(a)为TiO2纳米棒阵列膜，(b)为g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜。
图6为本发明实施例2处于0.5mol/LNaCl溶液中的403不锈钢与不同光阳极连接，光照前后电极电位随时间变化曲线(Light on表示光照，Light off表示切断光源，即暗态)。其中，(a)连接TiO2光阳极，(b)连接g-C3N4/SrTiO3/TiO2光阳极；以及403SS在0.5mol/LNaCl溶液中的自腐蚀电位随时间变化。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明首先采用水热法在FTO基体上制备TiO2纳米棒阵列膜，再通过第二次水热法将TiO2纳米棒表面部分TiO2原位转化成SrTiO3，获得SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜；最后通过化学气相沉积法在SrTiO3/TiO2复合膜表面沉积g-C3N4层，得到g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜。将本发明获得的复合膜作为光阳极，置于0.5mol/L KOH溶液中，并通过铜导线连接光阳极和被保护金属，考察光阳极对金属电极电位的影响，以此评价光阳极对金属的光生阴极保护性能。
本发明具体的制备及其性能测试步骤如下。其中，步骤(1)和(2)为常用的制备TiO2纳米管阵列膜的方法：
(1)FTO基体的预处理
商业化的FTO导电玻璃(透过率＞90％)切割成矩形的试样，长度15～25mm，宽度10～15mm，厚度2.2～2.3mm，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20～30min，烘干备用。
(2)TiO2纳米棒阵列膜的制备
通过水热法在FTO上制备TiO2纳米棒阵列膜，采用的溶液为钛酸四丁酯溶液。首先配制1︰1(浓盐酸与去离水比例)盐酸溶液50～80mL，充分搅拌后，逐滴加入适量的钛酸四丁酯1～2mL，继续搅拌直至得到澄清的溶液。将3～5块清洗好的FTO试片固定在具有一定倾斜度的样品台上，保证试片导电面倾斜向下。然后将配制好的钛酸四丁酯溶液与安放了FTO的样品台转移到100mL的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封后于烘箱中进行反应。水热反应在140～155℃温度下进行，反应时间为3～6h。反应结束后自然冷却至室温，取出样品用去离子水清洗，然后于60～80℃下烘干，由此得到TiO2纳米棒阵列膜。
(3)SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的制备
将(0.3～0.6)g Sr(OH)2·8H2O溶于(40～80)mL去离子水中得到水热反应所需的溶液。将未退火处理的TiO2纳米棒膜样品放置于100mL聚四氟乙烯内衬的水热釜，保持有TiO2纳米棒膜的一面向上，加入配制好的Sr(OH)2溶液。水热反应在180℃下进行，反应时间0.5～2h。反应结束后自然冷却至室温，取出样品在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡(3～5)min，除去多余的Sr(OH)2；浸泡结束后用去离子水清洗样品，去除多余的HCl，60～80℃下烘干。最后将样品在430～470℃下退火(1.8～2.2)h，升温速率5℃/min，得到SrTiO3/TiO2纳米棒复合膜。
(4)g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的制备
通过化学气相沉积法在SrTiO3/TiO2纳米棒膜上沉积g-C3N4。将(3～7)g的由尿素和三聚氰胺(1︰1)组成的混合物置于一个氧化铝坩埚中，然后将SrTiO3/TiO2纳米棒膜放置于距离坩埚底部一定距离的位置，保持SrTiO3/TiO2纳米棒膜层向下，并用氧化铝盖子将坩埚盖上。将坩埚置于马弗炉中，(500～540)℃下反应(1～5)h，升温速率为5℃/min，反应结束后冷却至室温，得到g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜样品。
(5)样品光电流密度随时间变化曲线测试
采用CompactStat.e便携式电化学工作站测试制备的光阳极样品在不同光照条件下光电流密度随时间的变化曲线。测试在三电极体系中进行，其中TiO2纳米棒膜或g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜为光阳极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂丝为辅助电极，电解质溶液为(0.2～0.8)mol/L KOH溶液。光源为150W氙灯，发射的白光透过电解池壁上预留的石英窗口照射到光阳极表面。
(6)光阳极光生阴极保护效应测试
测试在一个双电解池系统(光电化学电解池和腐蚀电解池)中进行。在光电化学电解池中，电解质溶液为(0.2～0.8)mol/L KOH溶液，g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜作为光阳极置于其中。在腐蚀电解池中，以被保护的金属电极(不锈钢等)作为工作电极，铂电极和SCE分别作为辅助电极和参比电极，电解质溶液为(0.4～0.8)mol/LNaCl溶液。光阳极与金属电极通过铜导线连接，光电化学电解池与腐蚀电解池通过盐桥(含饱和KCl的琼脂)连接。以150W高压氙灯作为白光光源，光照时光线通过光电化学电解池上的石英窗口照射于光阳极表面。用恒电位仪测定腐蚀电解池中被保护金属电极电位的在光照前后的变化，可以评价复合膜光阳极对金属的光生阴极保护作用。
以下给出具体实施例。
实施例1
按照上述技术方案的具体步骤，制备g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒复合膜光阳极，并测试其对403SS的光生阴极保护效果。
FTO基体的预处理：商业化的FTO(透过率＞90％)切割成矩形试样，长15mm，宽10mm，厚2.2mm，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min，烘干备用。
TiO2纳米棒阵列膜的制备：配制1︰1盐酸溶液(60mL)，充分搅拌后，逐滴加入1.25mL钛酸四丁酯，继续搅拌直至澄清。4块FTO试片固定在有一定倾斜度的样品台上，保证试片导电面倾斜向下。将配制好的钛酸四丁酯溶液与样品台一起转移入反应釜中，密封后于烘箱中进行反应。水热反应温度为150℃，时间为5h。反应结束后自然冷却至室温，取出样品用去离子水清洗，于80℃下烘干。
SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的制备：将0.4g Sr(OH)2·8H2O溶于60mL去离子水中得到反应溶液。将获得的TiO2纳米棒膜置于100mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，保持TiO2纳米棒膜的一面向上，并加入Sr(OH)2溶液。水热反应在180℃下进行1h。反应结束后自然冷却至室温，取出样品在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡3min，然后用去离子水清洗，并80℃烘干。最后将样品在450℃下退火2h，升温速率5℃/min。
g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的制备：将5g由尿素和三聚氰胺(1︰1)组成的混合物置于氧化铝坩埚中，将SrTiO3/TiO2膜样品放置于距离坩埚底部一定距离的位置，保持SrTiO3/TiO2纳米棒膜层向下，盖上盖子。将坩埚置于马弗炉中，500℃下反应3h，升温速率为5℃/min。
利用Hitachi F-4800型扫描电子显微镜观察样品表观形貌，利用RigakuUltimaIV X射线衍射仪分析样品的组成。
测试采用双电解池系统(光电化学电解池和腐蚀电解池)，光电化学电解池中，电解质为0.5mol/L KOH溶液，光阳极置于其中；腐蚀电解池中，403SS电极为工作电极，铂电极和SCE分别作为辅助电极和参比电极，电解质为0.5mol/L NaCl溶液。光阳极与金属电极通过铜导线连接，光电化学电解池与腐蚀电解池通过盐桥连接。测试所用光源为150W氙灯，光线通过光电化学电解池的石英窗口照射于光阳极表面。用恒电位仪测定腐蚀电解池中被保护金属电极电位的在光照前后的变化。
图1是通过本发明提供的方法在FTO上制备的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的形貌图。从图中可以看到，复合膜由大量“薯条状”纳米棒组成，纳米棒分布均匀，整体上竖直生长与FTO基底之上，棒与棒之间有一定的倚靠。纳米棒复合膜的厚度约为1.92μm。从
图1中的(b)图中可以看到，纳米棒的端面粗糙，这主要是由于SrTiO3和g-C3N4的修饰造成的。
图2是水热法制备的纯TiO2纳米棒阵列膜(图2中的(a)图)和g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜(图2中的(b)图)的XRD测试结果。谱线(a)中，除了SnO2的衍射峰外还可以检测到金红石TiO2的衍射峰，包括36.2°、44.2°、54.5°、62.9°、65.7°和69.9°等，分别对应金红石TiO2的(101)、(210)、(211)、(002)、(221)和(112)晶面(PDF#78-1510)。谱线(b)中，同样可以检测到SnO2和金红石TiO2的衍射峰，而位于32.4°、46.5°和57.8°，对应于钙钛矿型SrTiO3的(110)、(200)、(211)晶面(PDF#79-0175)。位于26.5°和54.7°处的衍射峰相对于谱线(a)中的衍射峰强度增强，主要是因为g-C3N4(002)和(004)晶面(PDF#87-1526)的衍射峰分别与SnO2(110)晶面(26.6°，PDF#46-1088)以及TiO2(211)晶面的衍射峰重合，另外，80.6°衍射峰归属于g-C3N4(220)晶面(PDF#87-1526)。XRD测试结果证明复合物由金红石TiO2、SrTiO3和g-C3N4组成。
图3是403SS在0.5mol/L NaCl溶液中分别与光电解池中纯TiO2纳米棒膜(图3中的(a)图)和g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜(图3中的(b)图)连接前后的电极电位随时间变化曲线，以及403SS的自腐蚀电位随时间变化曲线。从图中可以看到，403SS在0.5mol/LNaCl溶液中、开路条件下的自腐蚀电位约为100mV(vs.SCE)。当403SS与纯TiO2纳米棒膜光阳极(a)或g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜光阳极(b)耦连时，由于电偶效应，其电极电位分别负移至-110mV(vs.SCE)和-190mV(vs.SCE)。对于耦连纯TiO2纳米棒膜光阳极的403SS(a)，当白光照射在光阳极表面时，403SS电极的电位迅速负移，并稳定在约-320mV(vs.SCE)。该电位相对于其自腐蚀电位降低了约420mV。当光照被切断后，403SS电极电位又迅速正移至光照前的水平(-110mV vs.SCE)。当再次施加光照时，403SS电极电位仍能够负移到前一次光照时的电位水平(-320mV vs.SCE)，切断光源，403SS电极电位再次正移，并在较长的一段时间内维持不变，而且每个阶段403SS电极电位都比较稳定，说明光阳极有良好的稳定性。当403SS耦连g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜光阳极时，在测试过程中呈现出相似的变化趋势。不同的是，g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜光阳极在光照条件下可以使403SS电极电位极化至-730mV(vs.SCE)，相对于403SS自腐蚀电位下降了约830mV，表现出明显优于纯TiO2纳米棒光阳极的阴极保护效果。
实施例2
FTO基体的预处理：商业化的FTO(透过率＞90％)切割成矩形试样，长15mm，宽10mm，厚2.2mm，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min，烘干备用。
TiO2纳米棒阵列膜的制备：配制1︰1盐酸溶液(60mL)，充分搅拌后，逐滴加入1.25mL钛酸四丁酯，继续搅拌直至澄清。4块FTO试片固定在有一定倾斜度的样品台上，保证试片导电面倾斜向下。将配制好的钛酸四丁酯溶液与样品台一起转移入反应釜中，密封后于烘箱中进行反应。水热反应温度为150℃，时间为5h。反应结束后自然冷却至室温，取出样品用去离子水清洗，80℃烘干。
SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的制备：将0.4g Sr(OH)2·8H2O溶于60mL去离子水中得到反应溶液。将获得的TiO2纳米棒膜置于100mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，保持TiO2纳米棒膜的一面向上，并加入Sr(OH)2溶液。水热反应在180℃下进行1.5h。反应结束后自然冷却至室温，取出样品在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡3min，然后用去离子水清洗，并80℃烘干。最后将样品在450℃下退火2h，升温速率5℃/min。
g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的制备：将7g由尿素和三聚氰胺(1︰1)组成的混合物置于氧化铝坩埚中，将SrTiO3/TiO2样品放置于距离坩埚底部一定距离的位置，保持SrTiO3/TiO2纳米棒膜层向下，盖上盖子。将坩埚置于马弗炉中，500℃下反应3h，升温速率为5℃/min。
利用Hitachi F-4800型扫描电子显微镜观察样品表观形貌，利用RigakuUltimaIV X射线衍射仪分析样品的组成。
测试采用双电解池系统(光电化学电解池和腐蚀电解池)，光电化学电解池中，电解质为0.5mol/L KOH溶液，光阳极置于其中；腐蚀电解池中，403SS电极为工作电极，铂电极和SCE分别作为辅助电极和参比电极，电解质为0.5mol/LNaCl溶液。光阳极与金属电极通过铜导线连接，光电化学电解池与腐蚀电解池通过盐桥连接。测试所用光源为150W氙灯，光线通过光电化学电解池的石英窗口照射于光阳极表面。用恒电位仪测定腐蚀电解池中被保护金属电极电位的在光照前后的变化。
图4为通过本发明提供的方法在FTO上制备的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜的形貌图。复合膜包含大量“薯条状”纳米棒，这些纳米棒分布均匀，整体上竖直生长与FTO基底之上，棒与棒之间有一定的倚靠。复合膜厚度约为1.94μm，纳米棒的端面粗糙，这主要是由于SrTiO3和g-C3N4的改性造成的。
图5为水热法制备的纯TiO2纳米棒阵列膜(图5中的(a)图)和g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜(图5中的(b)图)的XRD测试结果。谱线(a)中，除了SnO2的衍射峰外，还可以检测到金红石TiO2的衍射峰(PDF#78-1510)。谱线(b)中，除了SnO2和金红石TiO2，可以看到位于32.4°、46.5°和57.8°处属于钙钛矿型SrTiO3的衍射峰(PDF#79-0175)，以及位于26.5°和54.7°除归属于g-C3N4(PDF#87-1526)的衍射峰。XRD测试结果证明复合膜由金红石TiO2、SrTiO3和g-C3N4组成。
图6为0.5mol/L NaCl溶液中的403SS连接TiO2膜光阳极(图6中的(a)图)和g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜光阳极(图6中的(b)图)的电极电位-时间变化曲线，以及403SS的自然腐蚀电位随时间变化曲线。从图中可以看到，403SS在0.5mol/L NaCl溶液中、开路条件下的自腐蚀电位约为100mV(vs.SCE)。当403SS与纯TiO2纳米棒膜光阳极(a)或g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜光阳极(b)耦连时，由于电偶效应，其电极电位分别负移至-110mV(vs.SCE)和-220mV(vs.SCE)。对于耦连g-C3N4/SrTiO3/TiO2光阳极的403SS(b)，当白光照射在光阳极表面时，403SS电极的电位迅速负移，并稳定在约-670mV(vs.SCE)，该电位相对于其自腐蚀电位降低了约770mV。当光照被切断后，403SS电极电位又迅速正移至光照前的水平(-220mVvs.SCE)。当再次施加光照时，403SS电极电位仍能够负移到前一次光照时的电位水平(-670mV vs.SCE)，切断光源，403SS电极电位再次正移，并在较长的一段时间内维持不变，而且每个阶段403SS电极电位都比较稳定，光阳极表现出很好的稳定性。当403SS耦连TiO2复合膜光阳极时，在光照条件下只能将403SS电极电位极化至-320mV(vs.SCE)，可见，g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜光阳极的光生阴极保护性能明显优于纯TiO2纳米棒光阳极。
本发明提供了一种以金红石TiO2纳米棒为基础的光阳极g-C3N4/SrTiO3/TiO2的制备方法。首先，利用水热法在FTO(掺杂氟的SnO2透明导电玻璃)基底上构筑一层TiO2纳米棒阵列膜；再通过第二次水热反应，将TiO2纳米棒表面部分TiO2转化为SrTiO3，得到SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜；最后通过化学气相沉积(CVD)技术在SrTiO3/TiO2复合膜的表面沉积g-C3N4层，获得一种具有独特异质结结构的g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜光阳极。由于复合膜中光生电子和空穴有效的分离与转移，极大地抑制了光生电荷的复合，使得该复合材料具有很高的光电转化效率。
本发明成功制备了由g-C3N4、SrTiO3和TiO2三种半导体组成的纳米棒阵列复合材料，获得了具有级联型能带排列结构的g-C3N4/SrTiO3/TiO2复合膜光阳极。该光阳极可使与之连接的被保护不锈钢的电极电位大幅度下降，具有良好的光生阴极保护作用。具体地，当处于0.5mol/L NaCl腐蚀溶液中的403不锈钢(403SS)电极与白光照射时的光阳极连接，不锈钢电极电位下降至-580mV vs.SCE，相比其自然腐蚀电位(+100mVvs.SCE)降低了约680mV，显示出其光生阴极保护效应显著高于单纯的TiO2纳米棒膜。

Claims (9)

1.二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)FTO基体的预处理：将透过率＞90％的FTO导电玻璃切割成矩形的试样，长度15～25mm，宽度10～15mm，厚度2.2～2.3mm，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20～30min，烘干备用；
2)制备TiO2纳米棒阵列膜：通过水热法在FTO上制备TiO2纳米棒阵列膜，采用的溶液为钛酸四丁酯溶液，首先配制浓盐酸与去离水比例1︰1的盐酸溶液50～80mL，充分搅拌后，逐滴加入钛酸四丁酯1～2mL，继续搅拌直至得到澄清的溶液；将3～5块清洗好的FTO试片固定在具有一定倾斜度的样品台上，保证试片导电面倾斜向下，然后将配制好的钛酸四丁酯溶液与安放了FTO的样品台转移到100mL的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封后于烘箱中进行反应，水热反应在140～155℃温度下进行，反应时间为3～6h，反应结束后自然冷却至室温，取出样品用去离子水清洗，然后于60～80℃下烘干，得到TiO2纳米棒阵列膜；
3)制备SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜：将Sr(OH)2·8H2O溶于去离子水中得到水热反应所需的溶液；将未退火处理的TiO2纳米棒膜样品放置于100mL聚四氟乙烯内衬的水热釜，保持有TiO2纳米棒膜的一面向上，加入配制好的Sr(OH)2溶液；水热反应后自然冷却至室温，取出样品在0.1mol/L的HCl溶液中浸泡，除去多余的Sr(OH)2；浸泡结束后用去离子水清洗样品，去除多余的HCl，烘干，退火处理后，得到SrTiO3/TiO2纳米棒复合膜；
4)制备g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜：通过化学气相沉积法在SrTiO3/TiO2纳米棒膜上沉积g-C3N4，将尿素与三聚氰胺的混合物置于一个氧化铝坩埚中，然后将SrTiO3/TiO2纳米棒膜放置于距离坩埚底部一定距离的位置，保持SrTiO3/TiO2纳米棒膜层向下，并用氧化铝盖子将坩埚盖上；将坩埚置于马弗炉中，反应结束后冷却至室温，得g-C3N4/SrTiO3/TiO2纳米棒阵列复合膜，即二氧化钛纳米棒复合光阳极。
2.如权利要求1所述二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述Sr(OH)2·8H2O和去离子水的配比为(0.3～0.6)g︰(40～80)mL。
3.如权利要求1所述二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述水热反应的温度为180℃，水热反应的时间为0.5～2h。
4.如权利要求1所述二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述浸泡的时间为3～5min。
5.如权利要求1所述二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述烘干的温度为60～80℃。
6.如权利要求1所述二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述退火处理的温度为430～470℃，退火处理的时间为1.8～2.2h，升温速率5℃/min。
7.如权利要求1所述二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述混合物中尿素与三聚氰胺的配比为1︰1。
8.如权利要求1所述二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述混合物的加入量为3～7g。
9.如权利要求1所述二氧化钛纳米棒复合光阳极的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述反应的温度为500～540℃，反应的时间为1～5h，升温速率为5℃/min。
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