一种高性能In掺杂的TiO2光电极薄膜及其制备方法和应用

本发明属于光电化学，具体涉及一种高性能in掺杂的tio2光电极薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、受化石燃料储量的下降以及二氧化碳和其他温室气体释放的影响，加剧了全球的变暖，推动了对清洁和可持续能源需求的不断增长，也促使人们探索降低碳足迹的替代方法。不可避免的太阳能是目前地球上最大的能源，但其分散和间歇性的性质仍然是能源需求的一个巨大挑战。

2、由于二氧化钛的天然高稳定性、无毒、丰富和强氧化能力，使得tio2的光电催化性能具有明显的优势。tio2存在锐钛矿(eg＝3.2ev)、金红石(eg＝3ev)和板钛矿三种主要相。理论上，tio2在1.23v(vs.rhe)下的理论光电流为12.6ma/cm2，可以实现15.5％的高太阳能-氢气转换效率。然而纯tio2的光电催化效率仍然相当小，由于其禁带宽度大，在紫外光照射下更容易激发，光生电子空穴对(e/h～)的复合速率高，并且稳定性差。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的不足，本发明提出一种in掺杂的tio2光电极薄膜的制备方法及应用。该方法具有制备方法简单、操作方便，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in掺杂tio2光电极薄膜，制备方法包括如下步骤：

3、1)将钛酸四丁酯溶于去离子水与浓盐酸混合溶液中，搅拌获得前驱体溶液；

4、2)将incl3溶解到去离子水中，搅拌获得incl3溶液，将incl3溶液加入到步骤1)前驱体溶液中，搅拌获得含in前驱体溶液；

5、3)将清洗后的fto导电玻璃以导电面朝上的方式置于反应釜内胆中，将步骤1)中的前驱体溶液与步骤中2)中的含in前驱体溶液分别加入到不同的反应釜内胆中，通过水热反应，在fto导电玻璃的导电面形成tio2纳米阵列与in掺杂的tio2纳米阵列；

6、4)将步骤3)中所得产物进行水洗、干燥，在空气条件下进行高温煅烧，得到tio2与in-tio2光电极薄膜。

7、上述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，步骤1)中，按体积比，钛酸四丁酯:去离子水:浓盐酸＝1:31.25:31.25，其中，浓盐酸的浓度为12mol/l。

8、上述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，步骤2)中，incl3溶液的物质的量浓度为0.004mol/l、0.008mol/l和0.016mol/l。

9、上述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，步骤3)中，fto导电玻璃清洗的具体操作为：先将fto导电玻璃在去离子水中超声清洗10-30min，接着在乙醇中超声清洗10-30min，随后重复以上操作3-5次，吹干。

10、上述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，步骤3)中，所述水热反应是，160-180℃下水热反应2-10h。

11、上述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，步骤4)中，所述高温煅烧是，350-550℃下煅烧2-4h，升温速度为1-10℃/min。

12、上述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜在光电化学水分解中应用。

13、上述的应用，方法如下：以in-tio2光电极薄膜作为工作电极，铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，电解液为0.5m硫酸钠，以300w氙灯为光源，偏压为1.23v vs.rhe，进行水分解产氢。

14、本发明的有益效果是：

15、1、本发明提供的in掺杂tio2光电极薄膜，该薄膜提高了入射光子的转换效率，并且提升了电荷分离的效率，可以有效的提高光电化学性能及分解水能力。

16、2、本发明提供的in掺杂tio2光电极薄膜，制备方法原料廉价易得，操作简单方便，为水分解提供新的催化材料，缓解当下能源紧张的局势，有很好的应用前景。

17、3、本发明提供的in掺杂tio2光电极薄膜，在可见光下的产氢速率是tio2的1.8倍左右。

18、4、本发明采用in掺杂改变tio2纳米棒的结构的方法，in的掺杂有效提高了入射光子的转换效率还提升了电荷分离的效率。改善了tio2薄膜的入射光子的利用率，并且光生电子空穴分离的问题也得到了改善，从而提高tio2薄膜性能。in-tio2光电极薄膜是具有开发前景的光电化学分解水的材料。

技术特征：

1.一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，其特征在于，制备方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，其特征在于，步骤1)中，按体积比，钛酸四丁酯:去离子水:浓盐酸＝1:31.25:31.25，其中，浓盐酸的浓度为12mol/l。

3.如权利要求1所述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，其特征在于，步骤2)中，incl3溶液的物质的量浓度为0.004mol/l、0.008mol/l和0.016mol/l。

4.如权利要求1所述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，其特征在于，步骤3)中，fto导电玻璃清洗的具体操作为：先将fto导电玻璃在去离子水中超声清洗10-30min，接着在乙醇中超声清洗10-30min，随后重复以上操作3-5次，吹干。

5.如权利要求1所述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，其特征在于，步骤3)中，所述水热反应是，160-180℃下水热反应2-10h。

6.如权利要求1所述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜，其特征在于，步骤4)中，所述高温煅烧是，350-550℃下煅烧2-4h，升温速度为1-10℃/min。

7.权利要求1-6任一项所述的一种高性能in掺杂tio2光电极薄膜在光电化学水分解中应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，方法如下：以in-tio2光电极薄膜作为工作电极，铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，电解液为0.5m硫酸钠，以300w氙灯为光源，偏压为1.23v vs.rhe，进行水分解产氢。

技术总结本发明提供了一种In掺杂TiO<subgt;2</subgt;光电极薄膜的制备方法和应用。采用水热法，首先将InCl<subgt;3</subgt;融于去离子水中制备成溶液，随后将钛酸四丁酯、去离子水、浓盐酸和InCl<subgt;3</subgt;溶液置于反应釜中，并在反应釜中提前放置清洗完毕的FTO导电玻璃，在烘箱中加热反应，得到In‑TiO<subgt;2</subgt;纳米阵列。最后在马弗炉中高温煅烧，得到In‑TiO<subgt;2</subgt;光电极薄膜。本发明采用In掺杂的方式来改善TiO<subgt;2</subgt;光电极薄膜的光电催化活性，有效的提高了入射光子的转换效率，并使电荷分离效率得到了提高，显著提高了TiO<subgt;2</subgt;光电极薄膜的PEC性能。技术研发人员：丁勇,刘大博,江姗姗,范晓星受保护的技术使用者：辽宁大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18