具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极及其构筑方法技术

本发明专利技术涉及一种具有高度周期性Ti‑Au合金纳米管光子晶体电极及其构筑方法，光子晶体电极由TiO2和均匀掺杂在TiO2晶格中的Au组成，分为上下两层，其中，上层为纳米孔，下层为纳米管阵列；构筑方法具体如下：(1)将预处理后的Ti‑Au合金板为阳极，铂片电极作为对电极，采用含氟化物和水的乙二醇溶液作为阳极化电解质溶液，恒温水浴，阳极氧化，得到附着有纳米管的Ti‑Au合金板；(2)将附着有纳米管的Ti‑Au合金板超声处理后，继续恒温水浴，阳极氧化，得到电极样品；(3)将电极样品洗净，在乙醇中浸润，干燥，热处理，即得到目的产物Ti‑Au合金纳米管光子晶体电极。与现有技术相比，本发明专利技术的光子晶体电极的光电催化性能好，制备工艺简单，成本低，应用价值高等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电极的构筑方法，尤其是涉及一种具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极及其构筑方法。
技术介绍
辐射场与材料的耦合作用是自然界动力学过程的最基本形式，光子晶体就是一种既能控制其内部辐射模式，又对外部辐射场具有响应的人工晶体材料。这种晶体材料最根本的特征就是具有光子禁带——光子带隙，也正是由于光子带隙的存在使得光子晶体能够阻断特定频率的光子，从而将其进行捕获。目前，光子晶体在光电子器件和通信领域有着广泛而重要的应用，这类典型的应用包括高效率发光二极管、光子晶体光波导、光子晶体光纤、光子晶体激光器、高性能反射镜及高发射率小型微波天线等。光子晶体的有序多孔性和光子带隙的可调节性，可以用来制作光子晶体谐振腔、光子晶体偏振片以及各种类型的传感器。特别地，由于其独特的可见光吸收特性使其在光电催化领域亦有所应用。TiO2由于具有光稳定性好、无毒、易得等优点在光催化领域得到了广泛的研究，尤其是一维有序的TiO2纳米管阵列(TiO2NT)，具有较大的比表面积和稳定的光电性能而备受关注。但是，TiO2由于具有3.2eV的禁带宽度，仅能吸收约占太阳光4％的紫外光，对太阳能的利用率很低；同时，其光生电子和空穴容易复合，降低了对光生电子的利用率。为了提高TiO2的光催化活性和对太阳光的利用率，科研工作者们通过对TiO2NT进行空间结构的改造以期获得具有可见光响应的电极，例如将TiO2NT与有序的TiO2纳米网结合构筑出光子晶体结构来实现可见光区域的吸收。尽管在一定程度上获得了可见光的响应，但是就光电转换效率这一评价电极材料是否具有高效光电催化性能的指标而言，其效率仍然比较低。因此，进一步提升TiO2电极的可见光响应和光电转换效率是十分必要的。贵金属Au由于具有局域表面等离子共振效应而具有一定的可见光响应，而其
大小又与Au的尺寸密不可分，在纳米尺度上，Au纳米颗粒越小，越易发挥出它本身具有的表面等离子共振效应，获得更高的光催化活性。研究者构思将贵金属Au具有的表面等离子共振效应与TiO2抗光腐蚀性相结合构筑出具有高度周期性结构的高可见光响应的高稳定性的光电催化电极材料。以往文献报道的多是采用电化学沉积或是光还原的方法将金纳米颗粒修饰到TiO2纳米管上，但是所得到的Au纳米颗粒往往分布不均匀且尺寸大小不一，很容易造成纳米管口堵塞的现象，人为地降低了电极的光吸收性能，影响其光催化效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服TiO2NT对可见光不响应以及传统TiO2NT负载方法存在的缺陷，提供一种双金属同步阳极化获得具备优异光电催化性能的高度周期性分层的Ti-Au合金纳米管光子晶体电极及其构筑方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极，由TiO2和均匀掺杂在TiO2晶格中的Au组成，其特征在于，所述的晶体电极由上下两层组成，其中，上层为纳米孔组成的网层，下层为纳米管阵列。网层中的孔的方向平行于纳米管阵列中的孔的方向。所述的纳米孔为呈周期性分布的六边形纳米孔结构。所述的纳米孔的平均直径为100-200nm，孔壁厚度为20-40nm。具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极的构筑方法，包括以下步骤：(1)将预处理后的Ti-Au合金板为阳极，铂片电极作为对电极，采用含氟化物和水的乙二醇溶液作为阳极化电解质溶液，恒温水浴作用下，阳极氧化，得到附着有纳米管的Ti-Au合金板；(2)将步骤(1)制得的附着有纳米管的Ti-Au合金板超声处理去除表面的纳米管，再将处理后的Ti-Au合金板继续在恒温水浴作用下，阳极氧化，得到电极样品；(3)将步骤(2)得到的电极样品洗净，在乙醇中浸润，干燥，热处理，即得到目的产物Ti-Au合金纳米管光子晶体电极。步骤(1)中阳极与对电极的间距为0.5-1.5cm。步骤(1)中含氟化合物为HF，其在乙二醇溶液中的浓度为0.1-0.3mol·L-1；水在乙二醇溶液中的浓度为0.8～1.2mol·L-1。步骤(1)中预处理后的Ti-Au合金板指：将含0.02-0.4at％Au的Ti-Au合金板打磨至表面均匀光滑如镜面，然后依次在丙酮、乙醇、异丙醇和蒸馏水中超声清洗，最后置于氮气气氛下干燥。步骤(1)中：恒温水浴的温度为5-15℃；阳极氧化的工艺条件为：在90～130V恒电压条件下阳极氧化2～4h。步骤(2)中：恒温水浴的温度为5-15℃；阳极氧化的工艺条件为：在90～130V恒电压条件下阳极氧化5～30min。步骤(3)中：热处理的工艺条件为：在空气气氛下，以3-5℃/min的速率升温至400-500℃后，恒温煅烧0.5-2h，再以3-5℃/min的速率降温至室温。相比于常规的一步阳极化过程只能获得简单的一维纳米结构而言，本专利技术的两步阳极化过程中的超声行为可以有效地去除第一步阳极化过程所得的纳米管并在合金板的表面留有高度有序的六边形凹印，这些凹印可以作为第二步阳极化的模板，从而有效地避免阳极化纳米管随意的生长。由此得到的高级纳米结构TiO2-AuNTPC由于具有周期性的分层纳米结构，可以作为光子晶体层对可见光进行捕获，为表现出更高的光电催化性能奠定了基础。本专利技术将具有高度周期性的TiO2光子晶体和具有表面等离子共振效应的Au纳米颗粒相结合，首次制备得到原位掺杂的Au纳米颗粒修饰的TiO2纳米管光子晶体(TiO2-Au NTPC)电极材料。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术采用的基底为Ti-Au合金，实现了Ti和Au在原子层次上的均匀掺杂，并且在合金进行阳极化及空气中高温煅烧之后，形成了Au单质在TiO2晶格中高度均匀掺杂的结构。Au和TiO2接触的界面会出现电子聚集，形成肖特基势垒。在外加电场作用下，光生电子的传输会更加快速，并且可以有效地减少光生电子-空穴的复合率，使得Ti-Au合金纳米管光子晶体电极的光量子效率显著提高，光电催化活性明显增强。(2)本专利技术制备得到的合金纳米管光子晶体电极是由纳米孔和纳米管阵列组
成，上层的纳米孔结构可以作为光子晶体层对可见光进行捕获，提高电极的光吸收性能进而促进提升电极的光电催化性能。(3)与传统TiO2NT，以及Ti金属基底上制备得到的TiO2NTPC相比，本专利技术制备得到的高度周期性的分层Ti-Au合金纳米管光子晶体电极具有较强的可见光吸收，抗光腐蚀性，较快的电子传递性能以及优异的光电催化活性，这种合金纳米管光子晶体材料在可见光电催化领域中具有一定的新颖性和可适用性。(4)本专利技术高度周期性的Ti-Au合金纳米管光子晶体的制备方法步骤简单，操作易行，对反应温度以及原料的要求容易实现，并且在光催化、光电催化、新型能源制备以及分析检测等领域中具有潜在的应用价值。附图说明图1是本专利技术实施例1构筑的电极材料的扫描电镜图；图2是本专利技术实施例1、实施例2和实施例3的光电流响应图；图3是本专利技术实施例1、实施例4、实施例5和实施例6的光电流响应图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1在阳极化前，将Ti0.2Au(0.2at％Au)合金板依次用180目、320目、600目和金相砂纸打磨，使其表面均匀且光滑如镜面，然后依次在丙酮、乙醇、异丙醇和蒸馏水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高度周期性Ti‑Au合金纳米管光子晶体电极，由TiO2和均匀掺杂在TiO2晶格中的Au组成，其特征在于，所述的晶体电极由上下两层组成，其中，上层为纳米孔组成的网层，下层为纳米管阵列。

【技术特征摘要】
1.一种具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极，由TiO2和均匀掺杂在TiO2晶格中的Au组成，其特征在于，所述的晶体电极由上下两层组成，其中，上层为纳米孔组成的网层，下层为纳米管阵列。2.根据权利要求1所述的一种具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极，其特征在于，所述的纳米孔为呈周期性分布的六边形纳米孔结构。3.根据权利要求2所述的一种具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极，其特征在于，所述的纳米孔的平均直径为100-200nm，孔壁厚度为20-40nm。4.如权利要求1-3任一所述的具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极的构筑方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将预处理后的Ti-Au合金板为阳极，铂片电极作为对电极，采用含氟化物和水的乙二醇溶液作为阳极化电解质溶液，恒温水浴作用下，阳极氧化，得到附着有纳米管的Ti-Au合金板；(2)将步骤(1)制得的附着有纳米管的Ti-Au合金板超声处理去除表面的纳米管，再将处理后的Ti-Au合金板继续在恒温水浴作用下，阳极氧化，得到电极样品；(3)将步骤(2)得到的电极样品洗净，在乙醇中浸润，干燥，热处理，即得到目的产物Ti-Au合金纳米管光子晶体电极。5.根据权利要求4所述的一种具有高度周期性Ti-Au合金纳米管光子晶体电极的构筑方法，其特征在于，步骤(1)中阳极与对电极的间距为0.5-1.5cm。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国华，马骏，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31