一种Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法，首先以InP晶片为基底，通过阳极氧化法并结合湿法刻蚀制备一维有序InP纳米孔阵列，然后以一维有序InP纳米孔阵列为模板，通过浸渍电化学沉积法将Au纳米颗粒均匀负载于InP纳米孔阵列内，从而构建Au@InP纳米孔阵列复合结构光电解水光阳极材料。本发明专利技术Au@InP纳米孔阵列复合结构能极大的增加异质结的接触面积，同时能大幅增加反应活性位点；具有较高的光电流密度和较低的起始电位以及优异的光生载流子分离能力；操作灵活简单、反应条件温和，成本低廉，所得Au纳米颗粒尺寸均匀性好，易于调控，适合大规模生产，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法
本专利技术涉及一种光电解水制氢光阳极材料的制备方法，尤其涉及一种Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法。
技术介绍
自从1972年日本科学家报道TiO2电极进行水的光电分解以来，光电化学分解水制氢获得了广泛的关注。在光电化学分解水反应中，光阳极上的析氧反应相对于光阴极上的析氢反应无论在热力学或是动力学上都具有较大的难度，是整个水分解体系能量转化效率的瓶颈。因此，开发高效稳定的水分解光阳极材料受到了国内外科学家的普遍关注。目前，光电化学分解水最常用的光阳极材料主要有TiO2、ZnO、Fe2O3、BiVO4等金属氧化物半导体。虽然这些半导体的光解水制氢性能不断取得突破，但是，截至目前它们的转换效率依然较低。造成转换效率低的主要原因有两个：（1）光生电子和空穴容易再复合；（2）带隙较宽，不能有效地利用太阳光。因此，构建具有宽光谱太阳能吸收、优异的载流子分离输运的新型光催化体系是目前太阳光分解水领域研究的热点。在各种光活性材料中，InP具有1.35eV的直接带隙，合适的能带边位置和低的表面复合速率等优势，是非常有前景的太阳能制氢材料。InP纳米孔阵列由于具有增大的电极/电解液接触面积，增强的光吸收能力，在光电化学制氢领域有潜在的应用价值。然而InP纳米孔表面光生电子与空穴的复合，限制了太阳能转化效率。为了促进光生电子与空穴的分离，现有技术给出了许多方法，例如构造半导体-半导体异质结和使用金属掺杂等。其中，在半导体表面负载贵金属被认为是促进光生电荷分离最常用也是最重要的方法之一。Au纳米颗粒由于具有表面等离子体共振效应和较大的功函数，Au纳米颗粒的修饰一方面可以拓宽半导体的光吸收范围；另一方面可以和半导体形成肖特基结，促进光生电荷的分离，因此能极大地提高半导体的光催化活性。构筑Au-半导体异质结的方法有很多种，例如光还原，等离子溅射，直流磁控溅射和电子束物理气相沉积，不难发现这些制备方法或涉及昂贵的设备或涉及还原剂，不利于规模制备。此外，为了充分利用纳米孔较大的表面积和优异的陷光效应，在孔壁负载大量的Au纳米颗粒后，孔口不能被堵塞，但现有的电沉积方法因为Au纳米颗粒在孔口处的沉积更容易，很难实现这一目标。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的不足以及InP纳米孔表面光生电子与空穴易复合的问题，本专利技术的目的在于提供一种Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法，合成的Au@InP纳米孔阵列光阳极一方面保留了纳米孔阵列所具有的高比表面积和极佳的光吸收特性，同时大幅增加了Au和InP之间的接触面积，为光生载流子分离提供极大的便利，具有较高的光电化学性能。且材料合成工艺简单，成本低廉，所得产物光生载流子分离效率高，能够满足人们对高效光解水光阳极材料的需要。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术手段是：一种Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法，首先以InP晶片为基底，通过电化学阳极氧化法并结合湿法刻蚀制备一维有序InP纳米孔阵列，然后以一维有序InP纳米孔阵列为模板，通过浸渍电化学沉积法将Au纳米颗粒均匀负载于InP纳米孔阵列内，从而构建Au@InP纳米孔阵列复合结构光解水光阳极材料。进一步的，所述InP晶片是掺Sn的(100)面n型单晶InP，浸渍电化学沉积中氯金酸为金源，中性氯化钠溶液为惰性电解液。进一步的，所述制备一维InP纳米孔阵列，步骤如下：一、对InP晶片的一面进行机械镜面抛光，将抛光好的InP晶片清洗去除InP片表面的油污，再用去离子水多次冲洗InP晶片，之后干燥备用；二、使用直流磁控溅射法在步骤一获得的InP晶片未抛光面溅射铟膜，随后在一定温度下进行退火，退火结束后将InP晶片切割成大小相同的样片,然后利用高纯度的导电银浆将InP样片镀铟膜的一面和铜线连接在一起，制备InP电极；三、将步骤二中的InP电极作为阳极，石墨片为阴极，将阳极和阴极放入盐酸溶液中，并在阳极和阴极之间接上稳压电源，在设定的氧化电压下阳极氧化InP一段时间，以制备多孔InP；四、将步骤三中制备的多孔InP放入酸性溶液中进行湿法刻蚀，随后再放入去离子水中超声清洗，去除多孔InP表面的无序层，获得表面为黑色的一维有序InP纳米孔阵列。更进一步的，所述构建Au@InP纳米孔阵列复合结构是指：将步骤四中制备的一维有序InP纳米孔阵列浸入到不同浓度的HAuCl4溶液中一段时间，然后转移到0.1M氯化钠溶液中，在典型的三电极体系下进行电沉积，其中一维有序InP纳米孔阵列为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，在设定的电位下运行，时间设为1秒，浸渍和电沉积步骤表示为一次循环，通过改变循环次数调控Au在InP纳米孔阵列中的含量，电沉积结束后用去离子水多次冲洗，去除溶液里的杂质。更进一步的，所述步骤一中清洗是指在丙酮和无水乙醇里超声清洗5～10分钟。更进一步的，所述步骤二中，退火指在N2气氛中，镀铟膜的InP样片放入化学气相沉积炉中，升温速率为2～5℃/min，升温至350℃，维持1分钟。更进一步的，所述步骤三中，设定氧化电压为7V，氧化时间为60s,刻蚀溶液的浓度是2M。更进一步的，所述步骤四中，酸性溶液为纯Hcl和纯H3PO4的混合溶液，Hcl与H3PO4的体积比1:3，湿法刻蚀时间为100s。更进一步的，所述HAuCl4溶液浓度为1～3gL-1。更进一步的，所述InP纳米孔阵列浸入在HAuCl4溶液中的时间为5～10分钟。本专利技术的有益效果在于：1、巧妙地通过改变HAuCl4溶液的浓度，InP纳米孔阵列浸没在HAuCl4溶液中的时间，浸渍和电沉积循环次数，调控Au@InP纳米异质结阵列中Au颗粒的数量、分布以及尺寸，此复合结构能极大的增加异质结的接触面积，同时能大幅增加反应活性位点，十分有利于电解质离子的扩散和光生电荷的迁移，使其具有优异的光生载流子分离能力；2、光电化学测试表明，与纯InP纳米孔阵列相比，本专利技术所制备的Au@InP纳米异质结阵列具有较高的光电流密度和较低的起始电位，光生载流子分离效率高；3、操作灵活简单、反应条件温和，成本低廉，所得Au纳米颗粒尺寸均匀性好，易于调控，适合大规模生产，具有良好的应用前景。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的阐述。图1是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列的制备示意图。图2是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列的X射线衍射花样(XRD)图谱；图3是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列的X射线光电子能谱(XPS)照片；图4是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列的X射线光电子能谱(XPS)照片；图5是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列的X射线光电子能谱(XPS)照片；图6是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列的X射线光电子能谱(XPS)照片；图7是本专利技术纯InP纳米孔阵列的截面扫描电子显微镜(SEM)照片；图8是本专利技术纯InP纳米孔阵列表面扫描电子显微镜(SEM)照片；图9是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列的截面扫描电子显微镜(SEM)照片；图10是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列的表面扫描电子显微镜(SEM)照片；图11是本专利技术Au@InP纳米异质结阵列光阳极光电化学分解水制氢性能图。具体实施方式实施例1一种Au@InP纳米孔阵列光阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法，其特征在于：首先以InP晶片为基底，通过电化学阳极氧化法并结合湿法刻蚀制备一维有序InP纳米孔阵列，然后以一维有序InP纳米孔阵列为模板，通过浸渍电化学沉积法将Au纳米颗粒均匀负载于InP纳米孔阵列内，从而构建 Au@InP 纳米孔阵列复合结构光解水光阳极材料。

【技术特征摘要】
1.一种Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法，其特征在于：首先以InP晶片为基底，通过电化学阳极氧化法并结合湿法刻蚀制备一维有序InP纳米孔阵列，然后以一维有序InP纳米孔阵列为模板，通过浸渍电化学沉积法将Au纳米颗粒均匀负载于InP纳米孔阵列内，从而构建Au@InP纳米孔阵列复合结构光解水光阳极材料。2.根据权利要求1所述的Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法，其特征在于：所述InP晶片是掺Sn的(100)面n型单晶InP，浸渍电化学沉积中氯金酸为金源，中性氯化钠溶液为惰性电解液。3.根据权利要求1所述的Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法，其特征在于：所述制备一维InP纳米孔阵列，步骤如下：一、对InP晶片的一面进行机械镜面抛光，将抛光好的InP晶片清洗去除InP片表面的油污，再用去离子水多次冲洗InP晶片，之后干燥备用；二、使用直流磁控溅射法在步骤一获得的InP晶片未抛光面溅射铟膜，随后在一定温度下进行退火，退火结束后将InP晶片切割成大小相同的样片,然后利用高纯度的导电银浆将InP样片镀铟膜的一面和铜线连接在一起，制备InP电极；三、将步骤二中的InP电极作为阳极，石墨片为阴极，将阳极和阴极放入盐酸溶液中，并在阳极和阴极之间接上稳压电源，在设定的氧化电压下电化学氧化InP一段时间，制备多孔结构InP；四、将步骤三中制备的多孔InP放入酸性溶液中进行湿法刻蚀，随后再放入去离子水中超声清洗，去除多孔结构InP表面的无序层，获得表面为黑色的一维有序InP纳米孔阵列。4.根据权利要求1所述的Au@InP纳米孔阵列光阳极材料的制备方法，其特征在于：所述构建Au@InP...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，代凯，张金锋，李宏，朱光平，张敏，
申请(专利权)人：淮北师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34