王 鹏 汪德高 彭 程 樊春海

(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)

用阳光分解水产生氢气是很好的能源产生方式：水和阳光大量存在，且光电化学水分解制氢气既经济又环境友好的[1–6]。1972年，Fujishima[7]报道了TiO2光电化学(PEC)分解水的研究后，金属氧化物材料如TiO2、WO3和ZnO在PEC分解水方面的研究发展很快[8–14]，TiO2因化学稳定性好、制备方便而备受青睐[4,9,11,15–20]。

在能源领域中，纳米材料的独特光电性质有许多潜在应用，如半导体纳米材料作为光电极应用于光电化学分解水[5]，其比表面大有利于氧化还原反应发生，电极的小尺寸降低了电子-空穴的复合几率，纳米材料还可增大吸收系数。但研究发现，在零维纳米颗粒内，颗粒间存在能量壁垒，电子移动遵从跳跃机制(hopping mechanism)[21]，而非连续的传导途径，从而限制了PEC应用。另外，电荷在纳米棒内直接传导，而纳米颗粒体系是跳跃方式[22,23]，所以，一维纳米材料有利于提高电荷的传输[22,24,25]。

TiO2的一维纳米结构(TiO2纳米棒和纳米线)已在PEC光解水中显现优势。Abraham等[23]用斜角沉积技术制备了紧密排列的TiO2纳米棒阵列，应用于PEC分解水的研究。2011年，Yat Li研究组[26]用水热法制备了直径100–200 nm、长2–3 μm的TiO2纳米线，并将氢元素掺入TiO2纳米线，显著提高了TiO2纳米线的光电转换效率(IPCE)和光氢转换效率。

本文用水热法制备金红石型TiO2纳米棒阵列，并考察其最优活化温度和激活后电极内部电子性质，在0 V(vs. Ag/AgCl)得到0.12%光氢转换效率，为同类报道值中最高。此TiO2纳米棒制备法具有经济、便捷和大产量等优点，可用于其它一维纳米材料光电极的制备。……