三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉光电化学电极的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电化学技术领域，具体涉及三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极制备方法领域。
【背景技术】
[0002]光电化学是利用太阳能的方式之一，合并光化学与电化学方法，通过金属或半导体电极材料吸收光，产生能量累积或电极反应，完成光能与电能和化学能的转换。光电化学比较于其他获取太阳能的方法的优势在于其低成本，但转换效率低，电极上易出现电子空穴再结合的现象。因此，光电化学电极需要具备快速传输电子的能力。
[0003]硫化镉是本征η型半导体，在光电转换和光催化领域有着广泛的应用。纳米硫化镉具有更大的比表面积、小尺度效应和量子尺度效应。量子尺寸效应使硫化镉的能级改变、能隙变宽，吸收和发射光谱向短波方向移动;表面效应引起CdS纳米微粒表面原子输运和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化。目前主要采用的二氧化钛复合硫化镉的光电化学电极，但是由于二氧化钛本身的电子传输能力较弱，其技术进入瓶颈期。在此基础上，人们通过石墨烯负载硫化镉，但是传统的二维石墨烯由于其二维平面结构，所负载的硫化锦材料有限。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述【背景技术】的不足，提供一种三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极的制备方法。
[0005]本发明所涉及的一种三维石墨稀泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极的制备方法步骤如下:
[0006]步骤一:泡沫镍上生长石墨烯；
[0007]通过化学气相沉积法，在泡沫镍上沉积石墨烯;石墨烯生长条件为常压生长，生长温度为700?1100°C，通入氩气、氢气与甲烷三种气体的混合气，这三种气体的混合比例为氩气:氢气:甲烷=200:80:5，生长时间控制在10?30min，最终得到未刻蚀泡沫镍的三维石墨烯;
[0008]石墨烯生长具体包括:升温、退火、生长三个步骤;升温过程:60min升温至700?IlOO0C，氩气= 200sccm，氢气= 80sccm;退火过程:10?15min，维持在同样的温度，氩气=200sccm，氢气= 80sccm ；生长过程:10?30min，维持在同样的温度，甲烧:氢气:氩气=5:80: 200sccm;生长结束后关闭甲烷，打开风扇快速降温，最后轻柔地取出生长上石墨烯的镍泡沫；
[0009]步骤二:得到已刻蚀镍但未去除PMMA保护膜的三维石墨烯泡沫；
[0010]将方形泡沫镍上的石墨烯薄膜上均匀涂上0.1?1.5%的PMMA溶液，在真空干燥箱中，加热1?60mi η，加热温度为80?150 °C ;再将涂有PMMA的样品放入恒温80 °C的I?5MHCl中，刻蚀时间为6?24hour;刻蚀完毕后，将样品放置于去离子水中侵泡5?lOmin，重复3次;再将三维石墨烯泡沫置于真空干燥箱中，在低压状态下，升温至60?100°C，保持40min;该干燥过程中，每1min开启真空栗，抽去真空干燥箱内的水蒸汽;最终得到已刻蚀镍但未去除PMMA保护膜的三维石墨烯泡沫；
[0011 ]步骤三:得到去除PMMA保护膜的干燥的三维石墨烯泡沫
[0012]将已刻蚀镍但未去除PMMA保护膜的三维石墨烯泡沫放入管式炉中，在低压，10?40sccm氢气中，400?600°C加热，30?120min;退火完成后，可去除PMMA保护膜，得到干燥的三维石墨烯泡沫；
[0013]步骤四:得到三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉；
[0014]通过化学气相沉积法，在三维石墨烯泡沫上沉积纳米硫化镉;沉积纳米硫化镉的条件为低压生长，通入氢气，硫化镉源为99.999 %的硫化镉粉末，硫化镉源温度为400?8000C ;在离源0.1?Idm处放置三维石墨稀泡沫；生长时间为I?1mins;最终得到三维石墨稀泡沫复合纳米硫化镉；
[0015]步骤五:得到三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极；
[0016]将三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉固定在透明衬底2上，透明衬底为PET、玻璃或石英为基材的透明材料。在三维石墨稀泡沫复合纳米硫化镉表面通过导电银楽4连接接引电路3，接引电路3为铜线或银线;使用AB胶将三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉表面连接接引电路3的部分、导电银浆4处以及接引电路3接触透明衬底2的部分覆盖;最终得到三维石墨稀泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极。
[0017]三维石墨烯泡沫是二维石墨烯在三维空间当中的一种存在方式，是将二维石墨烯扩展到三维结构的重要方式之一。三维石墨烯泡沫不仅保留了二维石墨烯原有优异物理化学性质，同时由于其泡沫状多孔的微观结构，赋予其低密度，大比表面积和高导电性。三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉作为光电化学阳极材料所提供的导电网络具备快速传输电子的能力，减少电子空穴对结合，扩宽了纳米硫化镉的吸收光光谱范围，提高了复合后材料的光电转换器件效率。因此，这种新型低成本、有利于规模化生产的三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极的方法将在光电化学电极和传感器领域拥有潜在的应用前景。
[0018]纳米硫化镉通常很少单独应用，是因为其自身具有大量高效的光生载流子，但由于硫化镉的载流子传输能力弱，就又导致光生载流子大量的重新复合，从而又降低其光电转换效率。因此硫化镉的应用需要能有效辅助其快速传输光生载流子的材料。对于传统的硫化镉复合材料，通常为金属氧化物，金属氧化物为多孔结构，有大的表面积，可以负载更多纳米硫化镉，但电子输运能力却较弱。石墨烯材料发展以来，将三维石墨烯与硫化镉复合，可以通过石墨烯的超强电子传输能力来提高整体的电学特性。但现有的三维石墨烯是通过自组装制备的，这种偏近于化学制备的方法所制备的三维石墨烯在电子输运能力上并未达到其理想要求。三维石墨烯泡沫的制备是通过化学气相沉积法，该法制备的三维石墨烯泡沫已经被证实了拥有接近二维石墨烯的电子输运能力。因此，对比现有的三维石墨烯复合纳米硫化镉光电化学阳极，三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉光电化学阳极具有更好光电转换特性，以及更低的阻抗。
【附图说明】
[0019]图1是三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极制备流程图；
[0020]图2是镍泡沫及其SEM图；
[0021 ]图3是镍泡沫上生长的石墨烯薄膜及其SEM图；
[0022]图4是干燥的三维石墨烯泡沫及其SEM图；
[0023]图5是复合纳米硫化镉的三维石墨烯泡沫及其SEM图；
[0024]图6是三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极;其中I为光电化学阳极，2为透明衬底，3为接引电路，4为导电银浆，5为AB胶封装层；
[0025]图7是三维石墨烯泡沫及三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的拉曼图谱;其中a为三维石墨烯泡沫的的拉曼图谱，b为三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的拉曼图谱；
[0026]图8是三维石墨稀泡沫及三维石墨稀泡沫复合纳米硫化镉的XRD图谱；
[0027]图9是三维石墨烯复合硫化镉纳米颗粒光电化学电极的开/关光1-t测试图；
[0028]图10是三维石墨烯复合硫化镉纳米颗粒光电化学电极的循环伏安法测试图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0030]实施列I
[0031]—种三维石墨烯泡沫复合纳米硫化镉的光电化学电极的制备方法如图1所示，具体步骤如下:
[0032]I)将如图2所示的镍泡沫裁制成I cm*I cm的方形。
[0033]2)将方形镍泡沫分别置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗lOmin，用氮气吹干备用。
[0034]3)将干燥后的方形镍泡沫放置于CVD系统真空腔体中进行石墨烯薄膜生长，获得石墨烯薄膜。石墨烯薄膜的生长条件为常压生长，生长温度为700°C，通入氩气、氢气与甲烷的混合气体(特殊比例氩气:氢气:甲烷=200:80: 5sccm)，生长时间为15min，最终得到在方形泡