一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种Al2O3‑Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料及其制备方法，所述复合材料由Al2O3薄膜包覆Ag颗粒修饰的二氧化钛纳米棒阵列组装而成，其中Al2O3的厚度为厚度为5‑50nm，并通过1)TiO2纳米棒阵列制备、2)Ag颗粒制备工艺、3)Al2O3薄膜制备工艺获得Al2O3‑Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料。本发明专利技术采用的原子层沉积Al2O3薄膜钝化Ag颗粒修饰的TiO2纳米棒阵列，采用钝化技术和敏化技术相结合提高TiO2纳米棒阵列的简易方法，使TiO2纳米棒阵列具有更高的光电转换效率。

A Photoanode Composite of Al2O3-Ag@TiO2 Nanorods and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料及其制备方法
本专利技术属于光电化学
，具体涉及一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料及其制备方法。
技术介绍
二氧化钛(TiO2)因其优良的光学特性和化学稳定性，被广泛地应用于光催化、电化学、环境净化和光伏等领域。其中二氧化钛纳米棒(TiO2纳米棒)阵列具有合成简单、边界电阻小的特点，可以为光生载流子提供直接的传输通道，有效地促进它们的传输和转移，提高光电转换率，从而在光电化学领域中获得更多关注。然而，TiO2的宽带隙(～3.2eV)使其只对紫外光附近能量有较强的吸收，限制了其对可见光的利用率；另外，光生电子-空穴对的快速复合也抑制了光电流响应。为了解决这些问题，研究人员已经开发了许多方法，包括窄带隙半导体的掺杂、量子点敏化以及贵金属纳米粒子改性等。人们发现，在TiO2上负载Au、Ag、Pt等贵金属纳米颗粒，一方面可以促进TiO2表面光生电子-空穴对分离；另一方面还可以改变TiO2能带结构，使其可以吸收低能量光子，增加光源利用率，从而提高TiO2光电转换效率。其中Ag相对成本低，并且具有杀菌作用，更受人们青睐。但是，Ag修饰TiO2后，TiO2表面存在的缺陷对电子造成的“俘获/脱俘”现象和无序结构导致电子传输路径曲折复杂等问题，依然会增加电子在传输过程中与空穴发生复合的几率；另外，二氧化钛薄膜内正的固定电荷密度较大，会导致寄生电容效应，都将降低太阳能电池光电转换效率。因此，提高TiO2光电转换性能，不仅要促进光生电子-空穴对分离，还要降低表面表面缺陷，消除二氧化钛薄膜内正的固定电荷，提高二氧化钛载流子复合率。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料及其制备方法，采用钝化技术和敏化技术相结合提高TiO2纳米棒阵列的简易方法，使TiO2纳米棒阵列具有更高的光电转换效率。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料，所述复合材料由Al2O3薄膜包覆Ag颗粒修饰的二氧化钛纳米棒阵列组装而成，其中Al2O3的厚度为厚度为5-50nm。一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)TiO2纳米棒阵列制备：将钛酸四正丁酯、盐酸加入去离子水中，常温下搅拌10min，得混合溶液；然后将混合溶液倒入盛有FTO导电玻璃(掺杂氟的SnO2透明导电玻璃)的反应釜中，在温度为150℃下反应10h，随后自然冷却至室温，将沉积好TiO2纳米棒的基底取出，并使用去离子水清洗，干燥，获得TiO2纳米棒；2)Ag颗粒制备工艺：将步骤1)制备的TiO2纳米棒放入磁控溅射腔体内，控制溅射时间获得负载有Ag颗粒的TiO2纳米棒；3)Al2O3薄膜制备工艺：将步骤2)中制备的负载有Ag颗粒的二氧化钛纳米棒放入原子层沉积设备腔体内，控制腔体温度到达生长温度200℃后，先通入金属源脉冲0.02s，接着通入N2气清洗脉冲8s，再通入氧源H2O脉冲0.02s，最后通入N2气清洗脉冲8s；循环上述操作若干周期，获得Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料。进一步的，所述钛酸四正丁酯、盐酸、去离子水的体积比为1:30:30。进一步的，所述TiO2纳米棒阵列制备中，FTO导电面朝下，基底与反应釜内胆壁成30-40°放置。进一步的，所述TiO2纳米棒阵列制备中，干燥条件：温度为50℃恒温箱中干燥30min。进一步的，所述Ag颗粒制备工艺中磁控溅射的工艺参数为：溅射温度：室温；背底真空压强：5×10-4Pa；保护气氛：Ar气；气体流量：20SCCM；工作压强：0.3Pa；射频功率：15W；靶材：99.999％纯度的金属银靶。进一步的，所述Al2O3薄膜制备工艺中原子层沉积工艺参数：金属Al前驱体：三甲基铝；氧前驱体：H2O；前驱体温度：三甲基铝和H2O均为室温。进一步的，所述Al2O3薄膜制备工艺中原子层沉积工艺至少循环5周期。本专利技术的有益效果：1、本专利技术采用的原子层沉积Al2O3薄膜钝化Ag颗粒修饰的TiO2纳米棒阵列，将钝化技术和敏化技术相结合，使用Ag纳米颗粒促进光生电子分离，增加光电流产生几率，再使用Al2O3超薄钝化层，抑制电子-空穴对在表面的复合，有效提高TiO2纳米棒阵列的光电转换效率，光电流可以高达未经处理的TiO2纳米棒阵列光电流的29倍。2、本专利技术采用Ag颗粒修饰的TiO2纳米棒阵列，可以拓宽可见光紫外部分光吸收，促进光生载流子分离。3、本专利技术采用原子层沉积Al2O3薄膜钝化Ag颗粒修饰后的TiO2纳米棒阵列，可以抑制TiO2表面光生电子-空穴对复合。4、本专利技术采用的制备线路简易，过程精准可控，成本低廉。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极的制备流程示意图；图2是本专利技术实施例A(20)@TiO2纳米棒的SEM图；图3是本专利技术实施例A(20)@TiO2纳米棒的TEM图；图4是本专利技术实施例在不同溅射时间Ag敏化TiO2纳米棒阵列的XRD图；图5是本专利技术实施例Ag@TiO2纳米棒的紫外吸收谱图；图6是本专利技术实施例Ag@TiO2纳米棒的光学带隙图；图7是本专利技术实施例在不同溅射时间Ag敏化TiO2纳米棒阵列的光致发光光谱图；图8是本专利技术实施例在不同溅射时间Ag敏化TiO2纳米棒阵列瞬态光响应曲线；图9是本专利技术实施例20周期Al2O3钝化后Ag(10)@TiO2纳米棒的HRTEM图；图10是本专利技术实施例不同厚度Al2O3钝化后Ag(10)@TiO2纳米棒的光致发光光谱图；图11是本专利技术实施例不同厚度Al2O3钝化后Ag(10)@TiO2纳米棒的瞬态光响应曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料，该复合材料由Al2O3(厚度为5-50nm)薄膜包覆Ag颗粒修饰的二氧化钛纳米棒阵列组装而成。一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)TiO2纳米棒阵列制备：将0.5ml钛酸四正丁酯、15ml盐酸加入15ml去离子水中，常温下搅拌10min左右，得混合溶液，将FTO导电玻璃(掺杂氟的SnO2透明导电玻璃)的导电面朝下，基底与反应釜内胆壁成30-40°夹角放置，然后将混合溶液倒入反应釜中在温度为150℃下反应10h，随后自然冷却至室温，将沉积好TiO2纳米棒的基底取出，并使用去离子水依次清洗3-4次，在50℃恒温箱中干燥30min，获得TiO2纳米棒。2)Ag颗粒制备工艺：将步骤1)制备的TiO2纳米棒放入磁控溅射腔体内，当腔体真空度达到5×10-4Pa后，调节工作压强：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Al2O3‑Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料，其特征在于，所述复合材料由Al2O3薄膜包覆Ag颗粒修饰的二氧化钛纳米棒阵列组装而成，其中Al2O3的厚度为厚度为5‑50nm。

【技术特征摘要】
1.一种Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料，其特征在于，所述复合材料由Al2O3薄膜包覆Ag颗粒修饰的二氧化钛纳米棒阵列组装而成，其中Al2O3的厚度为厚度为5-50nm。2.如权利要求1所述的Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)TiO2纳米棒阵列制备：将钛酸四正丁酯、盐酸加入去离子水中，常温下搅拌10min，得混合溶液；然后将混合溶液倒入盛有FTO的反应釜中，在温度为150℃下反应10h，随后自然冷却至室温，将沉积好TiO2纳米棒的基底取出，并使用去离子水清洗，干燥，获得TiO2纳米棒；2)Ag颗粒制备工艺：将步骤1)制备的TiO2纳米棒放入磁控溅射腔体内，控制溅射时间获得负载有Ag颗粒的TiO2纳米棒；3)Al2O3薄膜制备工艺：将步骤2)中制备的负载有Ag颗粒的二氧化钛纳米棒放入原子层沉积设备腔体内，控制腔体温度到达生长温度200℃后，先通入金属源脉冲0.02s，接着通入N2清洗脉冲8s，再通入氧源H2O脉冲0.02s，最后通入N2清洗脉冲8s；循环上述操作若干周期，获得Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料。3.根据权利要求2所述的Al2O3-Ag@TiO2纳米棒光阳极复合材料的制备方法，其特征在于，所述Ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：高娟，查婷玉，孙小卫，王艳芬，倪晋波，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34