一种高性能复合催化剂异质结材料CuO/ZnO光电阴极薄膜及其制备方法和应用

本发明属于光电化学，具体设计一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近些年来，化石燃料的使用带来了雾霾、酸雨、全球温度升高等一系列的环境问题，除此以外，化石燃料因其不可再生在使用上有很大的局限性，因此寻找一种清洁、高效且可再生的新型能源是目前亟待解决的问题。解决能源短缺的光电化学电池已成为人们关注的焦点。光电分解水制氢将太阳能转换成可储存的化学能，是21世纪解决环境和能源问题的主要手段。

2、cuo是一种无机无毒的p型半导体，理想窄带隙为1.2-1.7ev。与其他光活性金属氧化物相比，该氧化物具有较强的可见光吸收能力，是一种非常有前途的太阳能水分解材料。窄带隙的cuo是为数不多的在模拟阳光照射下具有高光催化her活性的光催化剂之一，特别是与其他光催化剂结合时。尽管由于其窄带隙，cuo被认为时一种很有前途的用于太阳能水分解的陶瓷氧化物电极，但它存在低光稳定性或光致分解，这阻碍了它在pec电池中作为光电阴极的使用。

3、zno是一种很有前途的半导体材料，其结合能为60mev，迁移率为205-1000cm2/v。作为一种典型的n型半导体，zno在水分解方面具有良好的能带位置，使其成为水分裂的良好候选者。然而，zno具有较宽的带隙能量，限制了其在可见光区吸收。由于cuo和zno有合适的能带对准，因此将cuo与zno制备成异质结型光电催化材料有利于电子快速转移到电解质中，从而抑制了cuo表面电子空穴的复合。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜的制备级应用。该方法具有制备方法简单、操作方便，成本低廉，实验条件易控制等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，制备方法如下：

3、1)将氢氧化钠和过硫酸钾溶于去离子水中，将铜箔置入其中通过湿化学氧化法得到前驱体cuoh2纳米线，在空气中退火，得到cuo纳米薄膜；

4、2)将一定量的乙酸锌溶于甲醇中，得到乙酸锌甲醇溶液；

5、3)将步骤1)中所得的cuo纳米薄膜在乙酸锌甲醇溶液中浸渍处理，得到的负载有zno前驱体的cuo薄膜，在烘箱中热处理，最终得到致密的高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜。

6、上述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，步骤1)中，铜箔的纯度为99.9％，纯度为99.9％的铜箔在使用前，分别在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗。

7、上述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，步骤1)中，所述的氢氧化钠和过硫酸钾摩尔比为1：0.125。

8、上述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，步骤1)中，湿化学氧化法的时间为15min，温度为24℃。

9、上述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，步骤1)中，退火的温度为500℃，保持时间为10min，升温速度为5℃/min。

10、上述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，步骤2)中，乙酸锌甲醇溶液的浓度为0.01mol/l。

11、上述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，步骤3)中，所述的在乙酸锌甲醇溶液中浸渍时间15min，温度为(24)℃。

12、上述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，步骤3)中，所述的热处理是在150℃下热处理20min。

13、上述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜在光分解水产氢中的应用。

14、上述的应用，方法如下：以cuo/zno光电阴极薄膜为工作电极，铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，电解液为0.5m硫酸钠，偏压为0v vs.rhe，300w氙灯照射，分解水产氢。本发明的有益效果是：

15、1.本发明提供的cuo/zno光电阴极薄膜的这种复合催化剂异质结结构更容易使光生电子-空穴有效分离，降低复合率，可以有效的提高光电化学性能。

16、2.本发明提供的cuo/zno光电阴极薄膜的制备方法，其原料铜箔廉价易得，退火温度较低，节能减排，操作简单方便，极大程度降低了成本，为水的分解提供新的催化材料，缓解了当今的环境能源紧张的局势，有很好的发展前景。

17、3.本发明提供的cuo/zno光电阴极薄膜在可见光下的光电流密度和稳定性均是纯cuo薄膜的1倍左右。

18、4.本发明提供的cuo/zno光电阴极薄膜在可见光下的产氢速率是纯cuo的1倍左右。

技术特征：

1.一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，其特征在于，制备方法如下：

2.如权利要求1所述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，其特征在于，步骤1)中，铜箔的纯度为99.9％，纯度为99.9％的铜箔在使用前，分别在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗。

3.如权利要求1所述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，其特征在于，步骤1)中，所述的氢氧化钠和过硫酸钾摩尔比为1：0.125。

4.如权利要求1所述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，其特征在于，步骤1)中，湿化学氧化法的时间为15min，温度为24℃。

5.如权利要求1所述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，其特征在于，步骤1)中，退火的温度为500℃，保持时间为10min，升温速度为5℃/min。

6.如权利要求1所述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，其特征在于，步骤2)中，乙酸锌甲醇溶液的浓度为0.01mol/l。

7.如权利要求1所述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，其特征在于，步骤3)中，所述的在乙酸锌甲醇溶液中浸渍时间15min，温度为(24)℃。

8.如权利要求1所述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜，其特征在于，步骤3)中，所述的热处理是在150℃下热处理20min。

9.权利要求1所述的一种高性能复合催化剂异质结材料cuo/zno光电阴极薄膜在光分解水产氢中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，方法如下：以cuo/zno光电阴极薄膜为工作电极，铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，电解液为0.5m硫酸钠，偏压为0v vs.rhe，300w氙灯照射，分解水产氢。

技术总结本发明涉及一种CuO/ZnO光阴极及其制备方法和应用，属于光电化学技术领域。制备方法包括如下步骤：将铜箔浸于NaOH和过硫酸钾的混合溶液中，通过湿化学氧化法将前驱体CuOH<subgt;2</subgt;纳米线生长在铜箔上。取出铜箔，退火得到CuO纳米薄膜。然后制备乙酸锌甲醇溶液，用浸渍法在CuO纳米薄膜上负载ZnO前驱体，热处理后最终制得CuO/ZnO异质结薄膜。利用本发明的方法制备的CuO/ZnO复合催化剂异质结薄膜，能够使得电子空穴对有效分离，降低电子空穴的复合率，进而可以有效的提高光电化学性能，达到高效地分解水的目的。在光电化学分解水方面具有很大的开发与应用前景。技术研发人员：范晓星,白晋杰,江姗姗,肖梦媛,刘大博受保护的技术使用者：辽宁大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18