一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列及其制备方法技术

本发明专利技术涉及功能纳米材料以及清洁能源等技术领域，具体是公开了一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列及其制备方法，采用水热法制备Bi掺杂TiO2纳米晶阵列，并实现Bi离子沿纳米晶轴向呈浓度梯度分布，从而构造TiO2基异质结纳米晶阵列。相比较于未掺杂的TiO2纳米晶阵列，该异质结纳米晶阵列的光电化学性能优异，具有光吸收强、光生电荷分离效率高以及电荷迁移阻力小等特点，且有高效光电催化分解水制氢能力，可用于清洁能源领域。

A TiO2 based heterojunction nanocrystal array with concentration gradient and its preparation method

The invention relates to the technical fields of functional nanomaterials and clean energy, in particular a kind of TiO2 based heterojunction nanocrystalline array with a concentration gradient and its preparation method. The Bi doped TiO2 nanocrystalline array is prepared by hydrothermal method, and the concentration gradient distribution of Bi ions along the nanocrystalline axis is realized, thus the TiO2 based heterostructure is constructed. Homogeneous nanocrystalline arrays. Compared to the undoped TiO2 nanocrystalline array, the heterojunction nanocrystalline array has excellent photochemical properties, which has the characteristics of strong light absorption, high photoinduced charge separation efficiency and small charge transfer resistance, and has high efficiency of photocatalytic decomposition of water for hydrogen production, which can be used in the field of clean energy.

【技术实现步骤摘要】
一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列及其制备方法
本专利技术涉及功能纳米材料以及清洁能源等
，具体是公开了一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列及其制备方法。
技术介绍
在当今世界，人类社会的任何发展都离不开能源的使用，能源是人类活动和国民经济的物质基础，能源的发展和能源技术的使用，是全世界、全人类共同关心的问题。氢气能源因为其氢能以其高效率、多功能性、高流动性、低成本以及灵活性等优势，被认为是最具前景的清洁能源之一。在各种方法中，环境友好型的光电催化分解水制氢已引起了极大的研究兴趣。目前，TiO2纳米材料作为光催化领域重要的半导体材料之一，具有氧化能力强，生物无毒性和物理化学稳定性等特点。在各种TiO2的纳米结构(纳米颗粒，纳米片以及纳米管等)中，一维纳米晶阵列结构具有高比表面积，同时其规则利于光生电荷的迁移，可形成丰富的电子渗流路径，引起了科研工作者的极大兴趣，已被广泛应用于光解水制氢以及其它光/电领域(如气敏传感、生物传感以及太阳能燃料电池等)。但是其本身有着光电转化效率低、光生电荷复合几率高以及电荷迁移阻力大等问题，严重制约了其有效分解水制氢的性能。针对这些问题，科研人员利用金属(非金属)离子掺杂、半导体复合以及形成异质结等方法用以提高TiO2纳米晶阵列的光电化学特性。但是单一的修饰改性方法并不能统筹有效地规避TiO2纳米晶阵列存在的诸多不足，如何利用简单手段来有效的提高其光电特性仍是目前亟待解决的科学问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列，Bi离子沿TiO2纳米晶阵列轴向浓度呈梯度分布，从而形成TiO2基异质结的纳米晶阵列。一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列的制备方法，是通过水热反应于清洁的导电玻璃基底上生长TiO2纳米晶阵列，水热反应前驱体溶液为含有可溶性Ti盐和Bi盐的盐酸水溶液，水热反应产物经煅烧获得具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列。优选地，所述的具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列的制备方法，具体步骤如下：(1)将导电玻璃置于异丙醇、酒精、去离子水的混合溶液中超声清洗后烘干保存待用；(2)将浓盐酸溶液缓慢加入超纯水，并利用磁力搅拌器混合均匀；然后利用移液枪加入Ti源，搅拌至混合均匀；最后，在上述均匀混合体系中加入Bi源同时搅拌至均匀得前驱液，待用；(3)将步骤(2)所配备的前驱液倒入聚四氟乙烯反应釜中，同时将步骤(1)得到的清洁导电玻璃置于前驱液中；(4)将步骤(3)中聚四氟乙烯反应釜置于140-220℃的烘箱内保温2-6h，待自然冷却至室温后，打开反应釜，取出导电玻璃，利用稀盐酸和超纯水依次冲洗后干燥保存，得到生长于玻璃导电面的TiO2纳米晶阵列；(5)将步骤(4)产物置于450-550℃的马弗炉中煅烧1-3h。优选地，步骤(1)的混合溶液中异丙醇、酒精、去离子水的体积比为1：1：1，超声清洗时间为8-12min。优选地，步骤(2)的前驱液中可溶性Ti源为钛酸丁酯、卤化钛、钛醇盐中的一种，其体积浓度范围为0.3％-6.0％优选地，步骤(2)的前驱液中可溶性Bi源为硝酸铋、氯化铋中的一种。优选地，步骤(2)中Bi源与Ti源的原子比范围为1:200到1:10。本专利技术的有益效果在于：本专利技术具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列，Bi离子沿TiO2纳米晶阵列轴向浓度呈梯度分布，从而形成TiO2基异质结的纳米晶阵列，具有光吸收强、光生电荷分离效率高以及电荷迁移阻力小等特点，且有高效光电催化分解水制氢能力，可用于清洁能源领域。附图说明图1为具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列的(a)扫描图、(b)高分辨透射图以及(c)Bi元素的梯度分布图；图2为用于表征掺杂TiO2纳米晶阵列前后光电化学分解水特性的线性伏安扫描曲线(曲线a、b、c、d和e分别对应于未掺杂纳米晶阵列、实施例1、实施例5、实施例9和实施例14)。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步的说明，需要说明的是，仅仅是对本专利技术构思所作的举例和说明，所属本
的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离专利技术的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应视为落入本专利技术的保护范围。实施例1一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列及其制备方法，其制备工艺为：(1)将导电玻璃置于比例为1:1:1的异丙醇、酒精、去离子水混合溶液中超声清洗10min，后烘燥保存待用。(2)制备水热反应前驱液，具体来说：首先，将12.5mL浓盐酸溶液缓慢加入12.5mL的超纯水，并利用磁力搅拌器混合均匀；然后利用移液枪加入800μL的钛酸四丁酯，搅拌至混合均匀；最后，在上述均匀混合体系中加入摩尔浓度为1mmol/L的硝酸铋同时搅拌至均匀，待用，其中Bi和Ti之间的原子比为1:94。(3)将步骤(2)所配备的前驱液倒入聚四氟乙烯制反应釜中，同时将步骤(1)得到的清洁导电玻璃置于前驱液中。(4)将步骤(3)中反应釜置于180℃的烘箱内保温4h，待自然冷却至室温后，打开反应釜，取出导电玻璃，利用稀盐酸和超纯水依次冲洗后干燥保存，得到生长于玻璃导电面的TiO2纳米晶阵列。(5)将步骤(4)所制备的Bi掺杂TiO2纳米晶阵列置于500℃的马弗炉中煅烧2h。同时，做为对比案例，未掺杂TiO2纳米晶阵列的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中无硝酸铋的加入。实施例2本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中加入钛酸四丁酯的体积为400μL。实施例3本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中加入钛酸四丁酯的体积为1200μL。实施例4本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中硝酸铋的质量浓度改为0.5mmol/L。实施例5本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中硝酸铋的质量浓度改为5mmol/L。实施例6本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(2)中硝酸铋的质量浓度改为10mmol/L。实施例7本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(4)中保温时间为2h。实施例8本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(4)中保温时间为6h。实施例9本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(4)中烘箱温度为160℃。实施例10本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(5)中保温时间为1h。实施例11本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(5)中保温时间为3h。实施例12本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(5)中烘箱温度为200℃。实施例13本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(5)中煅烧温度为450℃。实施例14本实施例的制备方法同实施例1，不同的是步骤(5)中煅烧温度为550℃。对未掺杂纳米晶阵列以及具体实施例1～14制备的产品进行光电化学特性测试，具体结果见下表：通过上述数据可以发现：本专利技术具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列，相比较于未掺杂的TiO2纳米晶阵列，该异质结纳米晶阵列的光电化学性能优异，具有光吸收强、光生电荷分离效率高以及电荷迁移阻力小等特点，且有高效光电催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列，其特征在于：Bi离子沿TiO2纳米晶阵列轴向浓度呈梯度分布，从而形成TiO2基异质结的纳米晶阵列。

【技术特征摘要】
1.一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列，其特征在于：Bi离子沿TiO2纳米晶阵列轴向浓度呈梯度分布，从而形成TiO2基异质结的纳米晶阵列。2.一种具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列的制备方法，其特征在于：是通过水热反应于清洁的导电玻璃基底上生长TiO2纳米晶阵列，水热反应前驱体溶液为含有可溶性Ti盐和Bi盐的盐酸水溶液，水热反应产物经煅烧获得具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列。3.如权利要求2所述的具有浓度梯度的TiO2基异质结纳米晶阵列的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)将导电玻璃置于异丙醇、酒精、去离子水的混合溶液中超声清洗后烘干保存待用；(2)将浓盐酸溶液缓慢加入超纯水，并利用磁力搅拌器混合均匀；然后利用移液枪加入Ti源，搅拌至混合均匀；最后，在上述均匀混合体系中加入Bi源同时搅拌至均匀得前驱液，待用；(3)将步骤(2)所配备的前驱液倒入聚四氟乙烯反应釜中，同时将步骤(1)得到的清洁导电玻璃置于前驱液中；(4)将步骤(3)中聚四氟乙烯反应釜置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐光青，庞亚俊，吕珺，张勇，吴玉程，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34