一种具有二维光子晶体结构的光电极及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有二维光子晶体结构的光电极及其制备方法，所述光电极包括导电基底、骨架层和光电转化层，光电转化层表面具有周期性水平排列的圆孔。其制备方法主要包括：在导电基底上形成单层聚苯乙烯球膜；在覆有单层聚苯乙烯球膜的导电基底上制得骨架层；在制得骨架层的导电基底上沉积Fe膜，然后在有氧氛围下进行煅烧形成光电氧化层，得到具有二维光子晶体结构的光电极。本发明专利技术通过引入二维光子晶体结构，使电极的光催化活性有了显著的提高，能够有效提高电极在不同方向光照射下的光电催化活性；同时，所述制备方法简单，成本低廉，大大降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电催化领域，涉及一种光电极及其制备方法，尤其涉及一种具有二维光子晶体结构的光电极及其制备方法。
技术介绍
在光电催化体系中，一个独立的光电极通常由透明导电基底以及附着在上面的半导体催化材料(作为光电转换层)组成。目前，常用的作为光电极的导电基底有FTO(氟掺杂氧化锡)和ITO(锡掺杂氧化铟)。光电转化层则可以通过水热合成、电沉积以及物理或化学气相沉积等方法制备到透明导电基底表面。对于光电催化反应而言，制约其能量转换效率的主要因素是光生载流子的分离及收集效率。一般而言，光电转换层的厚度越大，越不利于载流子的分离与收集。而光电吸收层的厚度越薄，虽然有利于光生载流子的分离与收集，所能吸收的最大光能有限，也将制约电极的整体效率。这个矛盾对于Fe2O3来说尤其严重。针对氧化铁材料的这一问题，国外研究人员Gratzel等人(Transparent,conductingNb:SnO2forhost-guestphotoelectrochemistry.NanoLett.2012,12,5431-5435)首先报道了一种主客体结构，主体为随机堆积的Nb掺杂SnO2球壳，客体(光电转换层)采用ALD方法制备(原子层沉积方法)。但是，ALD法制膜速度慢，导致实验周期长，不适合生长上百纳米的厚膜。GeoffreyA.Ozin等人(Enhancedhematitewaterelectrolysisusinga3Dantimony-dopedtinoxideelectrode.ACSNano,2013.7(5):4261-4274)制备了一种无序的反蛋白石结构主体，客体通过煅烧吸附的硝酸铁获得。制备反蛋白石主体的初衷在于利用其光子晶体特性。一般认为，光子晶体结构的存在可以增强光和光电转换层的作用，从而提高光能的利用率，但是只有高度有序的反蛋白石结构才具有光子晶体的特性。因而上述两种结构都不能充分利用光子晶体的特性。为了充分利用光子晶体的优势，AlexB.F.Martinson等人(Hematite-basedPhoto-oxidationofWaterUsingTransparentDistributedCurrentCollectors.ACSAppl.Mater.Interfaces2013,5,360-367)制备了一种周期性良好的反蛋白石主客体结构，但为获得此骨架，首先要合成SiO2反蛋白石模版，但考虑到导电因素，光电转换层和SiO2层间还需再制备ITO作为导电层。在该报道中，导电层和光电转换层采用的均是ALD方法，该合成过程同样存在制备周期长，不经济的问题。国内研究人员ShiheYang等人(Athree-dimensionalhexagonalfluorine-dopedtinoxidenanoconearray:asuperiorlightharvestingelectrodeforhighperformancephotoelectrochemicalwatersplitting.EnergyEnviron.Sci.,2014,7,3651-3658)报道的电极结构高度有序，电极性能优异，但骨架层模版制备需要采用压印、镀膜和转移等过程，步骤更为繁琐。因此，如何研制出一种能充分利用光子晶体特性，可实现良好的光吸收以及有效电荷分离，且工艺简单的电极结构使亟需解决的一个问题。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种具有二维光子晶体结构的光电极及其制备方法，所述光电极的光电转化层表面具有周期性水平排列的圆孔，即二维光子晶体结构。通过引入二维光子晶体结构，使电极的光催化活性有了显著的提高，能够有效提高电极在不同方向光照射下的光电催化活性；同时，所述制备方法简单，成本低廉，大大降低了生产成本。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种具有二维光子晶体结构的光电极，所述光电极包括导电基底，导电基底的一侧由内向外依次为骨架层和光电转化层，光电转化层表面具有周期性水平排列的圆孔。本专利技术中，所述具有二维光子晶体结构的光电极可为光阳极也可为光阴极。本发明中，光电转化层表面具有周期性水平排列的圆孔，即为二维光子晶体结构，其可以有效提高电极在不同方向光照射下的光电催化活性；并且，相比背照方式，二维光子晶体结构对正照方式下的能量转换效率的增益更显著。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，所述导电基底为锡掺杂氧化铟(ITO)基底或氟掺杂氧化锡(FTO)基底，进一步优选为锡掺杂氧化铟基底。本专利技术中，由于ITO表面比FTO表面更为平坦，可以获得结构更为规整的骨架层，故以ITO基底作为导电基底效果更优。优选地，所述骨架层呈纳米网状结构。本专利技术中，所述骨架层的结构决定了所述光电极的光电转化层的表面形貌特征。优选地，所述骨架层的材料为SnO2、Fe2O3、ZnO或TiO2中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：SnO2和Fe2O3的组合，ZnO和TiO2的组合，SnO2、Fe2O3和ZnO的组合，SnO2、Fe2O3、ZnO或TiO2的组合等，骨架层材料的选择并不仅限于上述材料，其他可达相似效果的材料同样适用，进一步优选为SnO2和/或Fe2O3，以SnO2和/或Fe2O3效果最优。优选地，优选地，所述骨架层材料为SnO2时，SnO2为不掺杂SnO2和/或Sb掺杂的SnO2。优选地，述光电转化层的材料为Fe2O3、TiO2或ZnO中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实施例有：Fe2O3和TiO2的组合，TiO2和ZnO的组合，Fe2O3、TiO2和ZnO的组合等，进一步优选为Fe2O3，光电转化层材料的选择并不仅限于上述材料，其他可达相似效果的材料同样适用，但以Fe2O3效果最优。优选地，所述周期的调整范围为200～1000nm，例如200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm等，但并不仅限于所列举的数值，所列范围内其他数值均可行。本专利技术中，所述“周期”是指骨架层中相邻两个圆孔的圆心距离，光电转化层的周期性可以根据聚苯乙烯球尺寸的大小进行调整。第二方面，本专利技术提供了上述光电极的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)以聚苯乙烯球或SiO2为模板，在导电基底上形成单层聚苯乙烯球或SiO2球膜；(2)在覆有单层聚苯乙烯球或Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有二维光子晶体结构的光电极，其特征在于，所述光电极包括导电基底，导电基底的一侧由内向外依次为骨架层和光电转化层，光电转化层表面具有周期性水平排列的圆孔。

【技术特征摘要】
1.一种具有二维光子晶体结构的光电极，其特征在于，所述光电极包括导电基底，导电
基底的一侧由内向外依次为骨架层和光电转化层，光电转化层表面具有周期性水平排列的
圆孔。
2.根据权利要求1所述的光电极，其特征在于，所述导电基底为锡掺杂氧化铟基底或氟
掺杂氧化锡基底，进一步优选为锡掺杂氧化铟基底；
优选地，所述骨架层呈纳米网状结构；
优选地，所述骨架层的材料为SnO2、Fe2O3、ZnO或TiO2中任意一种或至少两种的组合，进
一步优选为SnO2和/或Fe2O3；
优选地，所述骨架层材料为SnO2时，SnO2为不掺杂SnO2和/或Sb掺杂的SnO2；
优选地，所述光电转化层的材料为Fe2O3、TiO2或ZnO中任意一种或至少两种的组合，进
一步优选为Fe2O3；
优选地，所述周期的调整范围为200～1000nm。
3.根据权利要求1或2所述的光电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)以聚苯乙烯球或SiO2球为模板，在导电基底上形成单层聚苯乙烯球或SiO2球膜；
(2)在覆有单层聚苯乙烯球或SiO2球膜的导电基底上加入前驱液至前驱液浸润单层聚
苯乙烯球或SiO2球膜后，在有氧氛围下进行煅烧，冷却，制得骨架层；
(3)在制得骨架层的导电基底上沉积金属膜，然后在有氧氛围下进行煅烧形成光电氧
化层，得到具有二维光子晶体结构的光电极。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中以聚苯乙烯球为模板；
优选地，步骤(1)中对导电基底进行清洗处理后，再在导电基底上形成单层聚苯乙烯球
或SiO2球膜；
优选地，所述清洗处理为：将导电基底依次在清洗液和水中进行超声处理，然后用惰性
气体吹干；
优选地，所述惰性气体为氮气、氦气、氩气或氙气中任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述清洗液为异丙醇、丙酮或乙醇中任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述超声处理的时间为5～20min，进一步优选为5min；
优选地，所述导电基底的长度为15～30mm，宽度为10～20mm，优选为长度为25mm，宽度
为15mm。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述聚苯乙烯或SiO2球
的直径为300～1000nm，进一步优选为600nm；
优选地，步骤(1)中在导电基底上形成单层聚苯乙烯球或SiO2球膜的方法为：
(a)将聚苯乙烯球或SiO2球溶于溶剂中，进行超声处理，制得聚苯乙烯球或SiO2球溶液；
(b)对硅片进行亲水处理；
(c)在培养皿中加入水和活性剂溶液，将经过亲水处理的硅片置于培养皿中，再加入制
得的聚苯乙烯球或SiO2球溶液，使聚苯乙烯球或SiO2球溶液沿硅片扩散至培养皿的溶液中
形成单层聚苯乙烯球或SiO2球膜；
(d)将导电基底置于单层聚苯乙烯球或SiO2球膜下方，使单层聚苯乙烯球或SiO2球膜附
于导电基底上，再捞起，干燥，得到覆有单层聚苯乙烯球或SiO2球...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳霄，马任平，张凯，宫建茹，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11