CN111924800A - 提高TiO2纳米棒阵列光电水分解效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高TiO2纳米棒阵列光电水分解效率的方法，其步骤如下：以乙二胺为溶剂，将二氧化钛纳米棒阵列在180‑240℃下，发生溶剂热反应6‑8h。应用此方法，不但可以达到退火处理的效果，同时表面的NH2基团有效钝化表面，可将光电转化效率较退火处理提高1.5倍。
Description
技术领域
本发明涉及光电催化材料制备领域，具体涉及一种通过强碱溶剂热法提高TiO2纳米棒阵列光电水分解效率的方法。
背景技术
二氧化钛（TiO2）因有利的带边位置，强光学吸收，优异的化学稳定性和耐光蚀性，以及低成本，其作为光电化学（PEC）水分解的光电阳极已被广泛研究。在众多形貌结构的TiO2纳米材料中，高度有序的纳米棒阵列因其长度可控、合成简单、比表面积大、界电阻小等优势，引起越来越多的关注。相比纳米颗粒结构，垂直基底的纳米棒结构可以为光激载流子提供直接的传输通道，有效促进了电子－空穴对的传输及转移。然而，直接合成出来的TiO2 NW和导电衬底结合性较差，导致界面出现大量的“dead zone”，以及晶体质量不高，表面富含大量缺陷，造成整体光电转化效率较低。
为了解决这些问题，更好的将TiO2 NW应用于光电化学能源领域，通常需要对TiO2NW在400~500 ºC进行退火处理来提高样品和导电衬底的结合力以及结晶度。但是经过退火处理之后，样品的光电流密度仍然没有大幅度提高。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种通过强碱溶剂热法提高TiO2 NW光电水分解效率的方法。应用此方法，不但可以达到退火处理的效果，同时表面的NH2基团有效钝化表面，可将光电转化效率较退火处理提高1.5倍。
本发明可通过如下技术方案实现：
一种通过强碱溶剂热法提高TiO2 NW光电水分解效率的方法，通过传统的水热法，以钛酸四丁酯为前驱体，首先合成TiO2 NW，然后用乙二胺对其表面进行处理，从而达到提高光电性能目的，其具体步骤如下：
（1）以乙二胺为溶剂，将二氧化钛纳米棒阵列（TiO2 NW）在180-240℃条件下，发生溶剂热反应；
（2）反应结束后，清洗、干燥。
进一步的，溶剂热反应时间为6-8h。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.本发明制备工艺简单，条件温和，成本低；
2.本发明对制得的纳米线阵列进一步水热，通过使用乙二胺为溶剂，调控温度，从而得到光电性能更佳的二氧化钛纳米线阵列。
3.本发明制备过程中，在低温低压下，实验工艺较为安全。
附图说明
图1为实施例1中TiO2 NW的扫描电子显微镜（SEM）图。
图2为对比例2中TiO2 NW的SEM图。
图3为实施例1、实施例3、对比例1以及对比例2的X射线衍射(XRD)光谱图。
图4为实施例1-4以及对比例2的红外光谱图。
图5为实施例与对比例2的光电性能对比图。
图6为实施例与对比例2、对比例3的光电性能对比图。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
本发明提出了一种二氧化钛表面改性的方法以提高光电性能，通过传统的水热法，以钛酸四丁酯为前驱体，首先合成二氧化钛纳米线阵列，然后用乙二胺对其表面进行处理。应用此方法，不但可以达到退火处理的效果，同时表面的NH2基团有效钝化表面，可将光电转化效率较退火处理提高1.5倍。
实施例1
将20ml浓度为35%盐酸与20ml去离子水放在清洗好的聚四氟乙烯内衬中，用移液枪量取400ul钛酸四丁脂与上述溶液混合，搅拌至溶液澄清为止。将2片清洗干净的FTO以相对于聚四氟乙烯内衬内壁约45°放置，导电面朝下，将内衬放入配套的反应釜中，拧紧钢盖，将反应釜放入鼓风干燥箱中，在180±10℃条件下，反应12h。反应结束后，用去离子水清洗干净后晾干，得到二氧化钛纳米棒阵列（TiO2 NW）样品，将该样品再次放入装有20ml乙二胺的聚四氟乙烯内衬中，乙二胺的用量要覆盖住样品，在180℃条件下水热8h。待反应结束后，取出样品，用乙醇、去离子水清洗干净，即可得到目标样品。
图1为其SEM图，表现为明显的纳米棒阵列，图3的X射线衍射（XRD）光谱显示其为金红石相TiO2，其光电流密度如图5中标注所示，红外光谱对应到图4中180℃的曲线。
改变乙二胺水热温度，可得到性能不同的TiO2 NW，即分别采用180℃、200℃、220℃、240℃温度对乙二胺进行水热。
实施例2
将20ml浓度为35%盐酸与20ml去离子水放在清洗好的聚四氟乙烯内衬中，用移液枪量取400ul钛酸四丁脂与上述溶液混合，搅拌至溶液澄清为止。将2片清洗干净的FTO以相对于聚四氟乙烯内衬内壁约45°放置，导电面朝下，将内衬放入配套的反应釜中，拧紧钢盖，将反应釜放入鼓风干燥箱中，在180±10℃条件下，反应12h。反应结束后，用去离子水清洗干净后晾干，得到二氧化钛纳米棒阵列（TiO2 NW）样品，将该样品再次放入装有20ml乙二胺的聚四氟乙烯内衬中，在200℃条件下水热8h。待反应结束后，取出样品，用乙醇、去离子水清洗干净，即可得到目标样品。
其光电流密度如图5中标注所示。红外光谱对应到图4中200℃的曲线。
实施例3
将20ml浓度为35%盐酸与20ml去离子水放在清洗好的聚四氟乙烯内衬中，用移液枪量取400ul钛酸四丁脂与上述溶液混合，搅拌至溶液澄清为止。将2片清洗干净的FTO以相对于聚四氟乙烯内衬内壁约45°放置，导电面朝下，将内衬放入配套的反应釜中，拧紧钢盖，将反应釜放入鼓风干燥箱中，在180±10℃条件下，反应12h。反应结束后，将得到的长在FTO上的TiO2 NW用去离子水清洗几次，再次放入装有20ml乙二胺的聚四氟乙烯内衬中，在220℃条件下水热8h。待反应结束后，取出样品，用乙醇、去离子水清洗干净，即可得到目标样品。
图3的X射线衍射（XRD）光谱显示其为金红石相TiO2，其光电流密度如图5中标注所示，红外光谱对应到图4中220℃的曲线。
实施例4
将20ml浓度为35%盐酸与20ml去离子水放在清洗好的聚四氟乙烯内衬中，用移液枪量取400ul钛酸四丁脂与上述溶液混合，搅拌至溶液澄清为止。将2片清洗干净的FTO以相对于聚四氟乙烯内衬内壁约45°放置，导电面朝下，将内衬放入配套的反应釜中，拧紧钢盖，将反应釜放入鼓风干燥箱中，在180±10℃条件下，反应12h。反应结束后，用去离子水清洗干净后晾干，得到二氧化钛纳米棒阵列（TiO2 NW）样品，将该样品再次放入装有20ml乙二胺的聚四氟乙烯内衬中，在240℃条件下水热8h。待反应结束后，取出样品，用乙醇、去离子水清洗干净，即可得到目标样品。
其光电流密度如图5中标注所示。红外光谱对应到图4中240℃的曲线。
对比例1
将20ml浓度为35%盐酸与20ml去离子水放在清洗好的聚四氟乙烯内衬中，用移液枪量取400ul钛酸四丁脂与上述溶液混合，搅拌至溶液澄清为止。将2片清洗干净的FTO以相对于聚四氟乙烯内衬内壁约45°放置，导电面朝下，将内衬放入配套的反应釜中，拧紧钢盖，将反应釜放入鼓风干燥箱中，在180±10℃条件下，反应12h。反应结束后，用去离子水清洗干净后晾干，得到二氧化钛纳米棒阵列（TiO2 NW）样品。即得到对比样品1。
图3的X射线衍射（XRD）光谱中标注“fresh”即为其衍射谱图，显示其为金红石相TiO2。
对比例2
将20ml浓度为35%盐酸与20ml去离子水放在清洗好的聚四氟乙烯内衬中，用移液枪量取400ul钛酸四丁脂与上述溶液混合，搅拌至溶液澄清为止。将2片清洗干净的FTO以相对于聚四氟乙烯内衬内壁约45°放置，导电面朝下，将内衬放入配套的反应釜中，拧紧钢盖，将反应釜放入鼓风干燥箱中，在180±10℃条件下，反应12h。反应结束后，用去离子水清洗干净后晾干，得到二氧化钛纳米棒阵列（TiO2 NW）样品。将该样品放入马弗炉中，450℃退火2h，即可得到对比样品2。
其扫描电子显微镜图如图2所示，图3的X射线衍射（XRD）光谱显示其为金红石相TiO2，其光电流密度如图5中标注所示，红外光谱对应到图4中的Annealed 450℃。
对比例3
将20ml浓度为35%盐酸与20ml去离子水放在清洗好的聚四氟乙烯内衬中，用移液枪量取400ul钛酸四丁脂与上述溶液混合，搅拌至溶液澄清为止。将2片清洗干净的FTO以相对于聚四氟乙烯内衬内壁约45°放置，导电面朝下，将内衬放入配套的反应釜中，拧紧钢盖，将反应釜放入鼓风干燥箱中，在180±10℃条件下，反应12h。反应结束后，用去离子水清洗干净后晾干，得到二氧化钛纳米棒阵列（TiO2 NW）样品，将样品放入装有20ml乙二胺的聚四氟乙烯内衬中，在220℃条件下水热8h。待反应结束后，取出样品，用乙醇、去离子水清洗干净，将样品再次放入马弗炉中，分别在300℃和500℃温度退火两小时，即可得到对比样品3和对比样品4。
其光电流密度如图6中标注所示，分别为220℃EDA & annealed 300℃以及220℃EDA & annealed 500℃。
综上所述，从SEM以及XRD数据可以看出，通过乙二胺处理，目标样品的形貌没有变化，但在红外光谱中明显看出，较对比样品2，乙二胺处理的TiO2 NW样品即目标样品的表面在1407cm-1处多了一个峰，对应的是NH2基团。通过图5的对比，光电转化效率较对比样品2明显提高，且随着乙二胺水热温度的升高，光电流密度也在不断升高，220℃水热条件下，光电流密度最佳。通过图6的对比，可以看出，相对于两种对比案例，只经过乙二胺处理得到的样品性能最优。
Claims (3)
1.一种提高TiO2纳米棒阵列光电水分解效率的方法，其特征在于，用乙二胺对二氧化钛纳米棒阵列表面进行处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，表面处理过程为：以乙二胺为溶剂，将二氧化钛纳米棒阵列在180-240℃下，发生溶剂热反应。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，溶剂热反应时间为6-8h。
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| CN106622387A (zh) * | 2015-07-20 | 2017-05-10 | 潘文进 | 新型改性二氧化钛光催化剂 |
| CN106984337A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-07-28 | 安阳师范学院 | CdS‑MoS2纳米颗粒共同掺杂黑色多孔二氧化钛光催化剂 |
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2019
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