一种复合电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种复合电极材料及其制备方法和应用，属于能源转化与储存材料技术领域。本发明专利技术的复合电极材料为3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列，所述3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列由垂直均匀排布的一维ZnO/CdS纳米棒阵列与BiOI纳米片结合组成，所述ZnO/CdS纳米棒阵列为CdS均匀分散在ZnO纳米棒阵列表面形成。本发明专利技术的复合电极材料在可见光照射(λ>420nm)下，ZnO/CdS/BiOI NRAs光电阳极显示出优异的PEC活性，并且在1.1V vs.RHE下产生9.12mA cm

A composite electrode material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种复合电极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种复合电极材料及其制备方法和应用，属于能源转化与储存材料

技术介绍
氢作为一种清洁和可再生能源，因其在解决当前因化石燃料的过度使用和由此导致的严重全球变暖问题而引发的全球能源危机的潜力而引起了极大的关注。通过消耗太阳能生产氢燃料的光电化学(PEC)水分解被认为是将取之不尽的太阳能转化为可储存氢的有前途和有效的方法。自从本多健一(HONDAKenichi)和藤嶋昭(FUJISHIMAAkira)于1972年首次报道用于水分解的n型TiO2电极以来，已经集成了许多半导体材料以有效地提高PEC的能量转换效率，例如Fe2O3、Cu2O和ZnO。ZnO是一种具有良好光电性能、优异化学稳定性和热稳定性的新型直接带隙宽禁带半导体材料，其室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，故而在光催化处理水污染领域具有广阔的应用前景，Kumaresan等已利用由水热法制备的ZnO纳米粉体成功进行了光催化污水处理模拟实验。然而，采用ZnO粉体光催化处理废水后催化剂回收利用困难，易产生二次污染，并且水热法制备ZnO纳米粉体存在工艺周期长以及对设备依赖性强等问题。而ZnO纳米棒不仅能提供电荷输运的直接途径、解耦载流子收集方向，还可负载于特定基底之上以实现重复利用。此外，相比水热法，电沉积法具有低温、可控、环保且对设备要求不高等优点，Lv等已通过电沉积法在导电玻璃(FTO)基底上成功制备出ZnO薄膜并研究了其整流特性。ZnO由于其高电子迁移率无毒性(210cm2V-1s-1)和大的激子结合能而受到越来越多的关注，但其光转换效率受到电子-空穴对和宽的带隙(3.37eV)的严重复合的极大限制。制造异质结ZnO/CdS最常用于加速电荷载流子在内部电场下的扩散，从而产生更有效的电子-空穴对分离和更长的电荷载流子寿命。尽管已经实现了相当好的PEC性能，但是基于ZnO/CdS的光阳极的实际应用，仍然受到CdS表面光生空穴引起的光致腐蚀的阻碍。为了进一步提高ZnO/CdS光电阳极的PEC性能，运用了以下策略：(1)制备具有比表面积大的纳米结构ZnO/CdS，垂直良好排列的一维(1D)ZnO/CdS纳米棒阵列(NRAs)；(2)改变表面性质，独特的3D交联结构不仅允许电解质通过互连的空隙扩散，而且在不牺牲材料导电性的情况下实现大的表面积，这可以大大改善电荷传输速度和分离效率，进一步提高太阳能转换效率。2D超薄BiOI纳米片因其在可见光区域具有窄带隙(1.7eV)和有效可见光响应而备受关注，使其成为许多领域中增强光吸收能力的有前景的光敏剂。因此，将一维ZnO/CdSNRAs与二维超薄BiOI纳米片交联制备具有3D交联结构的复合材料是提高ZnO/CdS光催化活性的有效手段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种复合电极材料及其制备方法和应用，该复合电极材料具有优异的PEC活性和良好的稳定性，原料成本较低，制备方法简单有效，合成过程绿色、可控，有利于该材料的大量生产，在光电催化中有相当大的实际应用前景。本专利技术的目的在于进一步提高ZnO/CdS光电阳极的PEC性能，并开发了以下方法：(1)制备ZnO/CdS纳米结构，垂直均匀排布的一维ZnO/CdS纳米棒阵列，具有比表面积大、导电衬底的扩散长度短、电荷转移和电子-空穴对的复合率低的优点；(2)改变表面性质，相邻ZnO/CdS之间的弱范德华力相互作用限制了相邻纳米棒之间的电子耦合，从而减弱了电子转移速度和催化活性；值得注意的是，独特的3D交联结构不仅允许电解质通过互连的空隙扩散，而且在不牺牲材料导电性的情况下实现大的表面积，这可以大大改善电荷传输速度和分离效率，进一步提高太阳能转换效率；2D超薄BiOI纳米片因其在可见光区域具有窄带隙(1.7eV)和有效光响应而备受关注，使其成为许多领域中增强光吸收能力、有前景的光敏剂；因此，对于提高ZnO/CdS光催化活性的有效手段，即用一维ZnO/CdSNRAs与2D超薄BiOI纳米片交联制备具有3D交联结构的复合材料。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种复合电极材料，所述复合电极材料为3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列，所述3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列由垂直均匀排布的一维ZnO/CdS纳米棒阵列与BiOI纳米片结合组成，所述ZnO/CdS纳米棒阵列为CdS均匀分散在ZnO纳米棒阵列表面形成。本专利技术的复合电极材料是三维(3D)交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列(NRAs)，该材料中，ZnO/CdS异质结构具有优异的光电化学(PEC)性能，可用于水分解产生氢气，但由于CdS表面光生空穴富集引起的光致腐蚀，导致实际应用受到严重阻碍。因此，通过溶剂热策略制备了本专利技术的复合电极材料，该材料在可见光照射(λ>420nm)下，ZnO/CdS/BiOINRAs光电阳极显示出优异的PEC活性，并且在1.1Vvs.RHE下产生9.12mAcm-2的光电流密度，这是碱性电解液中的ZnO/CdSNRAs光阳极的1.8倍。ZnO/CdS/BiOINRAs不仅可以延长光响应范围，更好地利用可见光，还可以有效增加可见光吸收面积，生成更多的光生载流子。此外，ZnO/CdS/BiOINRAs光电阳极实现了3.49％的高光转换效率和超过6000秒的长期稳定性。BiOI纳米片不仅用作保护层以抑制CdS的光致腐蚀，而且还通过CdS和BiOI之间形成的p-n结可以有效地延迟光诱导的电荷载流子复合，促进CdS中的光生电子-空穴对分离。该复合材料具有良好的稳定性，且原料成本较低，制备方法简单有效，合成过程绿色、可控，有利于该材料的大量生产，在光电催化中有相当大的实际应用前景。作为本专利技术所述复合电极材料的优选实施方式，所述复合电极材料中ZnO、CdS、BiOI的摩尔比为(17～34):(35～138):1。作为本专利技术所述复合电极材料的优选实施方式，所述复合电极材料中ZnO、CdS、BiOI的摩尔比为17：69：1。第二方面，本专利技术提供了上述复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)利用电沉积法制备出ZnO纳米棒阵列，放入CdS镀液中，使CdS均匀分散在ZnO纳米棒阵列表面，制备得到ZnO/CdS纳米棒阵列；(2)通过溶剂热法将BiOI纳米片引入ZnO/CdS纳米棒阵列，将Bi(NO3)3·5H2O加入到乙二醇单甲醚中并搅拌，然后加入相同摩尔量的KI并继续搅拌，得到混合溶液；(3)将步骤(2)所得的混合溶液和步骤(1)所得的ZnO/CdS纳米棒阵列加入高压釜中，开始反应；(4)将步骤(3)反应后的产物用乙醇和去离子水洗涤并干燥，即得复合电极材料。作为本专利技术所述复合电极材料的制备方法的优选实施方式，所述ZnO纳米棒阵列的制备方法为：将硝酸锌、乙酸铵和六次甲基四胺加入去离子水中，搅拌至固体完全溶解，配制ZnO镀液，将配置好的ZnO镀液倒入电解槽中，把FTO导电玻璃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料为3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列，所述3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列由垂直均匀排布的一维ZnO/CdS纳米棒阵列与BiOI纳米片结合组成，所述ZnO/CdS纳米棒阵列为CdS均匀分散在ZnO纳米棒阵列表面形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料为3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列，所述3D交联异质结构的ZnO/CdS/BiOI纳米棒阵列由垂直均匀排布的一维ZnO/CdS纳米棒阵列与BiOI纳米片结合组成，所述ZnO/CdS纳米棒阵列为CdS均匀分散在ZnO纳米棒阵列表面形成。


2.如权利要求1所述的复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料中ZnO、CdS、BiOI的摩尔比为(17～34):(35～138):1。


3.如权利要求2所述的复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料中ZnO、CdS、BiOI的摩尔比为17：69：1。


4.如权利要求1～3任一项所述的复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用电沉积法制备出ZnO纳米棒阵列，放入CdS镀液中，使CdS均匀分散在ZnO纳米棒阵列表面，制备得到ZnO/CdS纳米棒阵列；
(2)通过溶剂热法将BiOI纳米片引入ZnO/CdS纳米棒阵列，将Bi(NO3)3·5H2O加入到乙二醇单甲醚中并搅拌，然后加入相同摩尔量的KI并继续搅拌，得到混合溶液；
(3)将步骤(2)所得的混合溶液和步骤(1)所得的ZnO/CdS纳米棒阵列加入高压釜中，开始反应；
(4)将步骤(3)反应后的产物用乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳婷，汤紫媛，麦秀琼，刘兆清，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东;44