文献综述

1.1 课题背景

太阳能作为一种可再生能源，在过去的几十年中，由于其丰富清洁，易于获取和取之不尽等优点，吸引了学术界的巨大兴趣。因此，将太阳光转化为化学能来满足日益增长的能源消耗需求受到巨大的关注，如光催化，光伏和光电催化。特别是光电化学催化水分解制氢气。太阳能催化海水裂解制氢是解决能源危机的理想途径，因为太阳能是取之不尽的能源之一，海水是地球上最丰富的自然资源。众所周知，半导体光电极（Cu₂O，Fe₂O₃,CdS，ZnO，BiVO₄,和TiO₂）已经得到广泛的探索。因为它们被证明是将太阳能转化为光化学(PEC)电池燃料的潜在设备。在材料选择方面，二氧化钛因其无毒、低成本、光化学性能优异、化学稳定性好而成为最常用的光催化剂之一。但由于TiO2的能带间隙约为3.0 eV，能带间隙过大导致原始TiO₂对太阳光谱可见区域没有反应，只能通过约占太阳能光谱4%的紫外辐照来激发。因此，人们正努力将其吸收范围扩大到可见区域，例如元素掺杂，染料敏化，贵金属装饰，或与其他半导体耦合以形成异质结等。此外，在电极结构下，可以通过自纳米棒阵列衍生的光电极解耦长度尺度来解决当前的材料限制。光吸收和电荷分散可以为光生电子或空穴提供足够的表面积用于电解质。这样，电子-空穴对的复合率将会降低，器件的性能也会相应提高。

近年来，无金属聚合物半导体氮化碳(g-C₃N₄)因其固有的化学性质和热稳定性而受到越来越多的关注。与过渡金属氧化物和硫化物半导体光催化剂不同， g-C₃N₄由于结构中碳原子和氮原子之间具有很强的共价键，所以它在酸性或碱性电解质中表现出非常稳定的性能。然而纯g-C₃N₄的量子效率低、电子空穴复合速率高，在很大程度上限制了其应用。因此，探索和构建新型复合材料来弥补纯g-C₃N₄的这些不足，具有很大的空间。

我们将TiO₂和g-C₃N₄结合，通过水热生长和化学浴沉积，制备具有不同质量比的g-C₃N₄的TiO2 @ g-C₃N₄纳米棒阵列。此外，复合纳米棒阵列用Co-Pi颗粒修饰，以确定g-C₃N₄的不足。

1.2 样品制备

本工作中使用的所有试剂均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。实验通过水热生长，化学浴沉积和电沉积三个过程，，在FTO基底上构建了具有不同质量比的g-C₃N₄的Co-Pi装饰的TiO₂ @石墨碳氮化物（g-C₃N₄）纳米棒阵列（表示为CCNR）。

1.2.1原始TiO₂纳米棒阵列的合成

使用简单的水热生长制备原始的TiO₂纳米棒阵列。将12mL的去离子水与等量的浓盐酸（质量分数36.5-38％）混合，将混合物在环境条件下搅拌5分钟，然后加入0.4mL钛酸四丁酯。 随后，将上述混合物转移到50mL不锈钢高压釜中。 然后将一片清洁的FTO基板（1#215;6cm²）放入其中，与不锈钢高压釜的壁成适当的角度，导电面朝下。将高压釜在150℃的烘箱中保持18小时。 在反应冷却至室温后，FTO基底用TiO₂纳米棒，取出阵列，用超纯水冲洗数次，然后在60℃的烘箱中干燥。

1.2.2 TiO₂@ g-C₃N₄纳米棒阵列的制备
　　在TiO₂ @ g-C₃N₄ 纳米棒阵列的典型合成中，将不同质量的尿素粉末在10mL甲醇中以恒定搅拌速度旋转约10分钟。 然后将一片具有TiO₂纳米棒阵列的FTO基底浸入甲醇溶液中并静置30分钟。 取出后，将FTO基板放入带盖的坩埚中，半封闭环境。 在烘箱中在80℃下保持30分钟后，将坩埚转移到微炉中并在550℃下保持3小时。 具有TiO₂纳米棒阵列的另一FTO基底可通过相同的热程序用作参考，而不浸入尿素溶液中。