本技术涉及光电催化材料领域,重点介绍一种高效制备氧化铜纳米线的实验方法及其在光电催化领域的应用。该方法以铜网为基底,利用恒定电压的阳极氧化技术,实现氧化铜纳米线的快速制备。
背景技术
随着全球能源需求的不断增长和石油资源的逐渐枯竭,太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源具有巨大的潜力,并且氢能作为一种重要的清洁能源,通过光解水和光电化学分解水制氢成为研究的热点。在理想情况下,光电化学水分解电池中半导体的费米能级与电解液溶液的氧化还原电位平衡导致带弯曲从而产生电场,就制氢而言,p型半导体比n型半导体有优势。在p型半导体上,电子可以直接注入电解液,从而在p型半导体的界面处直接将水还原为氢气。而在n型半导体上,光生电子必须通过外部电路迁移后才能用于对电极上的水还原,这涉及潜在的能量损失。随着p型氧化物半导体在能源材料领域的重要性日益凸显,而相较于n型氧化物,可供选择的p型氧化物数量非常稀少。作为代表性的p型氧化物,铜的氧化物在不同研究领域引起了广泛关注。此外一维纳米结构(如纳米线、纳米棒、纳米管)因其能独立调节半导体的实际载流子扩散长度和光吸收深度,成为解决许多半导体常见的短载流子扩散长度与长光吸收深度不匹配问题的一种有前景的解决方案。由于纳米线结构的独特光电特性,特别是在电荷传输方面,它们已成为纳米器件和集成纳米系统的重要组成部分,在催化和能源相关领域中具有重要地位。
氧化铜(CuO)作为一种具有窄带隙(≤1.2eV)的p型半导体,以及高温超导体和巨磁阻材料的基石,一直是过渡金属氧化物研究中的热门话题。CuO纳米线具有大的表面积和潜在的尺寸效应,展现出与其微米或块状对应物显著不同的优越物理和化学性质。氧化亚铜(Cu2O)也通常被认为是具有合适的禁带宽度(约为2.0~2.2eV)和高载流子导电性及迁移率的材料,其特定的物理和化学性质在很大程度上取决于相应的制备方法,作为代表性的本征p型无机半导体材料,Cu2
O在光伏、催化、化工等领域得到了广泛应用。铜的氧化物(Cux
O)可以通过多种方法合成,包括热氧化法、热还原法、化学气相沉积、电化学沉积、水热法、溶剂还原法、磁控溅射和脉冲激光沉积等方法。在生产工艺上,恒压阳极氧化法操作简单快捷,不需要准确计算工件的表面积,只需设定电压和时间,有助于降低生产成本。热氧化法是最简单快速的合成方法,金属铜作为原料,在无氧环境可以将铜氧化为Cu2
O,在有氧环境可以将铜氧化为CuO。
在制备过程中结合阳极氧化和高温热处理的方法,在铜网表面快速得到Cux
O纳米线阵列,这种纳米线阵列结构不仅增加了比表面积,还有助于在光电应用中提高光照接触面积。恒压阳极氧化法有效确保了纳米线的结构一致,原位生长优化了纳米线与衬底之间的接触,避免了额外导电剂和粘合剂的需求,提高了电池的整体性能。综上所述,通过本研究不仅可以提供一种快速制备氧化铜纳米线的实验方法,制备Cux
O纳米线的工艺简单高效,材料的应用为推动能源转型和环境保护提供重要的技术支持,可以有效缓解全球能源危机和环境污染问题。
实现思路