一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法
阅读说明：本技术 一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法 (Three-dimensional ZnO/CdS nano-array electrode and preparation method thereof ) 是由 姜建刚 任文艺 王鹤 张锐 代筱娟 曹煜轩 石文密 李正直 徐屾明 于 2021-01-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法,包括以下步骤：步骤一,选用镀有F：SnO-2导电层的玻璃板作为衬底；步骤二,将所述衬底放入乙酸锌和六甲基四胺的混合溶液中密封水热,将水热处理后的衬底煅烧得到ZnO纳米棒阵列；步骤三,将所述ZnO纳米棒阵列放入氯化镉和硫脲的混合溶液中密封水热,所述氯化镉和硫脲的混合溶液中还加入了三乙醇胺作为表面活性剂,并利用氨水调节pH值使所述氯化镉和硫脲的混合溶液澄清透明；将水热处理后的ZnO纳米棒阵列煅烧,将煅烧处理后的ZnO纳米棒阵列冲洗后得到三维ZnO/CdS纳米阵列电极。该制备方法可以获得光能吸收率高、表面反应速率快、光能转换效率高的三维ZnO/CdS纳米阵列电极。(The invention relates to a three-dimensional ZnO/CdS nano-array electrode and a preparation method thereof, which comprises the following steps: step one, selecting and plating F: SnO 2 The glass plate of the conductive layer is used as a substrate; placing the substrate into a mixed solution of zinc acetate and hexamethyltetramine for sealing hydrothermal treatment, and calcining the substrate after the hydrothermal treatment to obtain a ZnO nanorod array; putting the ZnO nanorod array into a mixed solution of cadmium chloride and thiourea, sealing the mixed solution, performing hydrothermal treatment, adding triethanolamine serving as a surfactant into the mixed solution of the cadmium chloride and the thiourea, and adjusting the pH value by using ammonia water to enable the mixed solution of the cadmium chloride and the thiourea to be clear and transparent; and calcining the ZnO nanorod array subjected to the hydrothermal treatment, and washing the calcined ZnO nanorod array to obtain the three-dimensional ZnO/CdS nano-array electrode. The preparation method comprisesThe three-dimensional ZnO/CdS nano-array electrode with high light energy absorption rate, high surface reaction rate and high light energy conversion efficiency is obtained.)
技术领域
本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法。
背景技术
目前，化石能源短缺，环境污染日益严重，通过光电极分解水制备氢气受到了广泛关注。但传统的一维光电材料由于表面积比较小，无法实现快速反应，限制了光电材料的广泛应用。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明设计了一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法。
为了解决上述存在的技术问题，本发明一方面采用了以下技术方案：
一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，选用镀有F：SnO2导电层的玻璃板作为衬底；
步骤二，将所述衬底放入乙酸锌和六甲基四胺的混合溶液中密封水热，将水热处理后的衬底煅烧得到ZnO纳米棒阵列；
步骤三，将所述ZnO纳米棒阵列放入氯化镉和硫脲的混合溶液中密封水热，所述氯化镉和硫脲的混合溶液中还加入了三乙醇胺作为表面活性剂，并利用氨水调节pH值使所述氯化镉和硫脲的混合溶液澄清透明；将水热处理后的ZnO纳米棒阵列煅烧，将煅烧处理后的ZnO纳米棒阵列冲洗后得到三维ZnO/CdS纳米阵列电极。
进一步，所述步骤一中，将所述衬底进行预处理，所述预处理为将所述衬底放入去离子水、丙酮和乙醇的混合溶液中，利用超声清洗干净。
进一步，所述衬底为5cm×3cm的玻璃板。
进一步，所述步骤二中，密封水热的温度为90℃，加热时间6h。
进一步，所述步骤二中，煅烧温度为400℃，煅烧时间1h。
进一步，所述步骤二中，乙酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液为用去离子水配置的混合溶液，且混合溶液中乙酸锌和六亚甲基四胺的浓度均为0.05mol/L。
进一步，所述步骤三中，密封水热温度为80℃，加热时间2h。
进一步，所述步骤三中，煅烧温度为400℃，煅烧时间1h，煅烧环境为氮气气氛。
进一步，所述步骤三中，氯化镉和硫脲的混合溶液中，氯化镉的浓度为0.02mol/L，硫脲的浓度为0.06mol/L。
另一方面，本发明还公开了：
一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极，该电极由上述任一所述的三维ZnO/CdS纳米阵列电极的制备方法制得，且该电极在-0.15V的外加电压下能量转化效率为2.25%。
该三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法具有以下有益效果：
（1）本发明提供了一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法，该制备方法可以改变ZnO/CdS纳米阵列的比表面积，获得光能吸收率高、表面反应速率快、光能转换效率高的ZnO/CdS纳米阵列电极；三维ZnO/CdS纳米阵列电极的能量转化效率高，达到2.25％，是一维ZnO/CdS纳米阵列电极的两倍、一维ZnO纳米阵列电极的五倍。
（2）本发明三维ZnO/CdS纳米阵列电极中的CdS呈片状结构包裹在ZnO的表面，这种结构极大地增加了光电薄膜与电解液的接触面积，进而增加了光生空穴与溶液的反应活性位点。
（3）本发明中，由于CdS呈片状结构， 因此光生空穴只需要极短的传输距离就能到达CdS表面并与电解液发生反应，从而极大地加快了光生空穴的消耗速率，提高光生电子的收集效率。
附图说明
图1：本发明实施方式中三维ZnO/CdS纳米阵列电极制备方法的流程图；
图2：本发明实施方式中三维ZnO/CdS纳米阵列电极的制备过程示意图；
图3：本发明实施方式中的三维ZnO/CdS纳米阵列电极与现有技术中的ZnO纳米棒阵列电极、一维ZnO/CdS纳米阵列电极的X射线衍射对比图谱；
图4：本发明实施方式中的三维ZnO/CdS纳米阵列电极与现有技术中的ZnO纳米棒阵列电极、一维ZnO/CdS纳米阵列电极的光能吸收谱对比图；
图5：本发明实施方式中的三维ZnO/CdS纳米阵列电极与现有技术中的ZnO纳米棒阵列电极、一维ZnO/CdS纳米阵列电极的在光照下的光电转化效率对比图；
图6：本发明实施方式中的三维ZnO/CdS纳米阵列电极的微观结构以及电荷传递示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
图1至图6示出了本发明一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法的具体实施方式。图1至图2是本实施方式中三维ZnO/CdS纳米阵列电极制备方法的流程及过程示意图；图3至图5是本实施方式中的三维ZnO/CdS纳米阵列电极与现有技术中的的ZnO纳米棒阵列电极、一维ZnO/CdS纳米阵列电极的性能对比图；图6是本实施方式中的三维ZnO/CdS纳米阵列电极的微观结构以及电荷传递示意图。
如图1至图2所示，本实施方式中的三维ZnO/CdS纳米阵列电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，选用镀有F：SnO2导电层的玻璃板作为衬底；
步骤二，将所述衬底放入乙酸锌和六甲基四胺的混合溶液中密封水热，将水热处理后的衬底煅烧得到ZnO纳米棒阵列；
步骤三，将所述ZnO纳米棒阵列放入氯化镉和硫脲的混合溶液中密封水热，所述氯化镉和硫脲的混合溶液中还加入了三乙醇胺作为表面活性剂，并利用氨水调节pH值使所述氯化镉和硫脲的混合溶液澄清透明；将水热处理后的ZnO纳米棒阵列煅烧，将煅烧处理后的ZnO纳米棒阵列冲洗后得到三维ZnO/CdS纳米阵列电极。
优选地，所述步骤一中，将所述衬底进行预处理，所述预处理为将所述衬底放入去离子水、丙酮和乙醇的混合溶液中，利用超声清洗干净。
优选地，所述衬底为5cm×3cm的玻璃板。
优选地，所述步骤二中，密封水热的温度为90℃，加热时间6h。
优选地，所述步骤二中，煅烧温度为400℃，煅烧时间1h。
优选地，所述步骤二中，乙酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液为用去离子水配置的浓度为0.05mol/L的混合溶液。
优选地，所述步骤三中，密封水热温度为80℃，加热时间2h。
优选地，所述步骤三中，煅烧温度为400℃，煅烧时间1h，煅烧环境为氮气气氛。
优选地，所述步骤三中，氯化镉和硫脲的混合溶液中，氯化镉的浓度为0.02mol/L，硫脲的浓度为0.06mol/L。
具体实施例：
第一步，将衬底放入去离子水、丙酮和乙醇的混合溶液中清洗，以备用；其中，衬底为镀有F:SnO2导电层的玻璃板（FTO），玻璃板的长×宽为5cm×3cm，放入去离子水、丙酮和乙醇的混合溶液中，利用超声清洗干净；
第二步，配制乙酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液，将洗净的衬底（FTO）放入80mL的该混合溶液中，在90℃下密封6h进行水热；水热结束后，将衬底取出冲洗干净，在400℃下煅烧1h，再取出冲洗干净，备用，以得到ZnO纳米棒阵列；其中，乙酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液为用去离子水配置的混合溶液，混合溶液中乙酸锌和六亚甲基四胺的浓度均为0.05mol/L；
第三步，配制氯化镉和硫脲的混合溶液，取该溶液80mL，加入2.5mL三乙醇胺(TEA)，三乙醇胺的体积百分含量为3%；并利用氨水调节pH值使其澄清透明；将制备的ZnO纳米棒阵列放入上述澄清溶液中，在80℃下密封2h进行水热；水热结束后，将ZnO纳米棒阵列取出冲洗干净，在400℃氮气气氛下煅烧1h，然后取出冲洗干净，得到三维ZnO/CdS纳米阵列电极；其中，氯化镉和硫脲的混合溶液中，氯化镉的浓度为0.02mol/L，硫脲的浓度为0.06mol/L。
如图6所示，本实施方式中的三维ZnO/CdS纳米阵列电极，由上述制备方法制得，且该电极在-0.15V的外加电压下能量转化效率为2.25%。
对本实施例得到的三维ZnO/CdS纳米阵列电极进行X射线衍射、光能吸收率、光照下光电转化效率测量，测试结果如图3、图4、图5所示。
本发明提供了一种三维ZnO/CdS纳米阵列电极及其制备方法，该制备方法可以改变ZnO/CdS纳米阵列的比表面积，获得光能吸收率高、表面反应速率快、光能转换效率高的ZnO/CdS纳米阵列光电极，实现太阳能的高效转化和利用；三维ZnO/CdS纳米阵列电极的能量转化效率高，达到2.25％，是一维ZnO/CdS纳米阵列电极的两倍、一维ZnO纳米阵列电极的五倍。
本发明三维ZnO/CdS纳米阵列电极中的CdS呈片状结构包裹在ZnO的表面，这种结构极大地增加了光电薄膜与电解液的接触面积，进而增加了光生空穴与溶液的反应活性位点。
本发明中，由于CdS呈片状结构， 因此光生空穴只需要极短的传输距离就能到达CdS表面并与电解液发生反应，从而极大地加快了光生空穴的消耗速率，提高光生电子的收集效率。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。