本發(fā)明涉及一種高溫下合成納米結構可控的金屬氧化物半導體薄膜電極材料的制備方法，所制備的納米結構金屬氧化物半導體薄膜電極材料具有光電化學性能，可應用于太陽能光伏電池制備、光電化學傳感器構建以及光催化水分解制氫、光催化降解有機污染物等領域。本發(fā)明屬于納米功能電極材料與綠色能源技術領域。

背景技術：

能源短缺和環(huán)境惡化一直是人類社會面臨的棘手問題，因此尋找清潔可再生能源是科研工作者的努力方向。光電化學分解水利用清潔可再生的太陽能分解水制取氫氣，反應過程不會造成環(huán)境污染，氫氣的使用亦不會對環(huán)境造成破壞(氫氣燃燒生成水)，因此，光電化學分解水技術在綠色能源可再生利用等方面引起了科研工作者的廣泛關注。這一技術現已成為新能源、新材料、催化和環(huán)保等領域的研究熱點之一。

金屬氧化物因其性質穩(wěn)定、來源豐富、成本低廉且無毒性等優(yōu)點引起了人們的格外關注，其中金屬氧化物半導體在太陽能光伏電池、光電化學傳感器、光催化分解水制氫等領域顯示出廣泛的應用前景。具有一定微觀形貌的納米金屬氧化物半導體,通常擁有更大的比表面積，能有效減少光生電子和空穴的復合，因而具有更優(yōu)良的光電化學性能。目前，國內外科研工作者已成功制備出了具有各種微觀形貌的納米金屬氧化物半導體，如：納米線、納米帶、納米片、納米棒等，并對其光電化學性能進行了深入的研究。為了進一步提高納米金屬氧化物半導體的光電化學性能，提高其結晶度或對其摻雜改性是較常用的方法，而高溫煅燒是最常用的處理手段之一。然而納米金屬氧化物半導體的微觀結構經高溫處理后往往會因為團聚遭到破壞，如何在高溫下對納米金屬氧化物半導體的微觀結構進行精確控制,獲得具有一定微觀結構的納米金屬氧化物半導體薄膜電極材料成為大家普遍關心和亟待解決的問題。

綜上可知，研發(fā)一種成本低、方法簡單、在高溫下能有效控制納米金屬氧化物半導體電極材料的微觀結構的合成方法，具有重要的科學意義和應用價值。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高溫下微觀結構可控的納米金屬氧化物半導體薄膜電極材料的制備方法，具有成本低、制備簡單的優(yōu)點，且所得材料具備完好的納米棒微觀結構和高光電化學活性。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種高溫下微觀結構可控的納米金屬氧化物半導體薄膜電極材料的制備方法，以鈦片為導電基底、鈦片表面通過水熱法生長羥基氧化鐵納米棒、利用葡萄糖為碳源，在高溫下合成納米結構可控的復合電極材料碳層包覆的鈦摻雜三氧化二鐵納米棒，即c/ti-fe2o3，具體包括如下步驟：

(1)配制鐵鹽和非鐵無機鹽的水溶液，攪拌分散均勻；

(2)將純鈦片用砂紙打磨光滑后，依次用自來水、超純水、丙酮乙醇混合液和超純水超聲清洗干凈，將其放置于聚四氟乙烯內膽水熱反應釜中，將步驟(1)所得溶液加入到水熱反應釜中，然后在80～200℃反應2～24h；

(3)步驟(2)反應完成后，自然冷卻至室溫，將鈦片用去離子水和乙醇分別清洗干凈，然后將鈦片浸漬于葡萄糖溶液中，然后利用氬氣將鈦片吹干，50～80℃下真空干燥1～6h；

(4)將步驟(3)所得干燥鈦片放置于管式爐中，在氬氣氣氛，600～900℃下煅燒10～60min，得到高溫下納米結構可控的金屬氧化物半導體薄膜電極材料，即c/ti-fe2o3。

進一步地，所述的鐵鹽優(yōu)選氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵中的一種或兩種以上。

進一步地，所述的非鐵無機鹽優(yōu)選硫酸鈉或硝酸鈉中的一種或兩種。

進一步地，步驟(1)的鐵鹽濃度為0.05～1mol/l，非鐵無機鹽濃度為0.05～1mol/l。

進一步地，步驟(3)的浸漬，浸漬時間為10～60min，葡萄糖溶液濃度為0.1～0.5mg/ml。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明的制備方法工藝簡單，條件容易控制，所得金屬氧化物半導體薄膜電極為納米結構，在導電基底鈦表面生長的鈦摻雜三氧化二鐵納米棒，在納米棒表面進一步包覆碳層，制得電極的光電化學性能得到明顯提高，光電化學性能優(yōu)良，具有重要的科學意義和應用價值。

附圖說明

圖1為高溫下未利用碳層控制納米結構制得ti-fe2o3電極的微觀照片。

圖2為高溫下利用碳層有效控制納米結構制得c/ti-fe2o3電極的微觀照片。

圖3為c/ti-fe2o3電極和ti-fe2o3電極光電化學性能測試，即模擬太陽光下的線性掃描曲線：(a)c/ti-fe2o3電極材料(b)ti-fe2o3電極材料。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，但本發(fā)明并不限于此。

實施例1

c/ti-fe2o3的制備

(1)配制0.05mol/l的氯化鐵和0.05mol/l硫酸鈉的水溶液，攪拌分散20min；

(2)將純鈦片用砂紙打磨光滑后，依次用自來水、超純水、丙酮乙醇混合液和超純水超聲清洗干凈，將其放置于聚四氟乙烯內膽水熱反應釜中，取20ml步驟(1)所得溶液加入到水熱反應釜中，然后在120℃恒溫箱中反應4h；

(3)步驟(2)反應完后，自然冷卻至室溫，將鈦片用去離子水和乙醇清洗三遍，然后將鈦片浸漬于0.1mg/ml的葡萄糖溶液中10min，浸漬完后，再利用氬氣將鈦片吹干，60℃下真空干燥2h；

(4)將步驟(3)干燥好的鈦片放置于管式爐中，在氬氣氣氛，800℃下煅燒20min，即制得c/ti-fe2o3。

實施例2

c/ti-fe2o3的制備

(1)配制0.1mol/l的硝酸鐵和0.1mol/l的硝酸鈉的水溶液，攪拌分散20min；

(2)將金屬鈦片放置于聚四氟乙烯內膽水熱反應釜中，取20ml步驟(1)所得溶液加入到水熱反應釜中，然后在120℃恒溫箱中反應4h；

(3)步驟(2)反應完后，自然冷卻至室溫，將鈦片用去離子水和乙醇清洗三遍，然后將鈦片浸漬于0.5mg/ml的葡萄糖溶液中30min，浸漬完后，再利用氬氣將鈦片吹干，80℃下真空干燥3h；

(4)將步驟(3)干燥好的鈦片放置于管式爐中，在氬氣氣氛，900℃下煅燒40min，即制得c/ti-fe2o3。

實施例3

c/ti-fe2o3的制備

(1)配制1mol/l的硫酸鐵和1mol/l的硫酸鈉的水溶液，攪拌分散20min；

(2)將金屬鈦片放置于聚四氟乙烯內膽水熱反應釜中，取20ml步驟(1)所得溶液加入到水熱反應釜中，然后在80℃恒溫箱中反應8h；

(3)步驟(2)反應完后，自然冷卻至室溫，將鈦片用去離子水和乙醇清洗三遍，然后將鈦片浸漬于0.2mg/ml的葡萄糖溶液中60min，浸漬完后，再利用氬氣將鈦片吹干，50℃下真空干燥6h；

(4)將步驟(3)干燥好的鈦片放置于管式爐中，在氬氣氣氛，600℃下煅燒60min，即制得c/ti-fe2o3。

實施例4

c/ti-fe2o3的制備

(1)配制1mol/l的硫酸鐵和1mol/l的硫酸鈉的水溶液，攪拌分散20min；

(2)將金屬鈦片放置于聚四氟乙烯內膽水熱反應釜中，取20ml步驟(1)所得溶液加入到水熱反應釜中，然后在200℃恒溫箱中反應2h；

(3)步驟(2)反應完后，自然冷卻至室溫，將鈦片用去離子水和乙醇清洗三遍，然后將鈦片浸漬于0.4mg/ml的葡萄糖溶液中50min，浸漬完后，再利用氬氣將鈦片吹干，70℃下真空干燥1h；

(4)將步驟(3)干燥好的鈦片放置于管式爐中，在氬氣氣氛，600℃下煅燒60min，即制得c/ti-fe2o3。

實施例5

c/ti-fe2o3的制備

(1)配制1mol/l的硫酸鐵和1mol/l的硫酸鈉的水溶液，攪拌分散20min；

(2)將金屬鈦片放置于聚四氟乙烯內膽水熱反應釜中，取20ml步驟(1)所得溶液加入到水熱反應釜中，然后在80℃恒溫箱中反應24h；

(3)步驟(2)反應完后，自然冷卻至室溫，將鈦片用去離子水和乙醇清洗三遍，然后將鈦片浸漬于0.2mg/ml的葡萄糖溶液中60min，浸漬完后，再利用氬氣將鈦片吹干，50℃下真空干燥6h；

(4)將步驟(3)干燥好的鈦片放置于管式爐中，在氬氣氣氛，600℃下煅燒60min，即制得c/ti-fe2o3。

實施例6

c/ti-fe2o3的光電化學測試

將實施例1所制備的c/ti-fe2o3的金屬片電極作為光陽極；以銀氯化銀電極作為參比電極，鉑片電極作為輔助電極，共同組成三電極體系，鏈接到電化學工作站設備上：在石英電解槽中加入30ml的0.1mol/l的naoh溶液；采用lsv測試手段，測試所得光電流強度較之未有碳層控制其納米棒結構有約20％光電流的提高(偏壓1.6v)。因此本發(fā)明在高溫下有效控制納米結構金屬氧化物半導體薄膜電極材料的制備方法具有實際應用價值。

上述實施例并非是對于本發(fā)明的限制，本發(fā)明并非僅限于上述實施例，只要符合本發(fā)明要求，均屬于本發(fā)明的保護范圍。