钠钛酸盐/二氧化钛纳米复合改性聚醚砜柔性电极用于高效光电化学水分解的创新研究

本刊推荐：本研究创新性地利用相转化法将TiO2@Na2Ti3O7（STO）纳米复合物嵌入聚醚砜（PES）基质，开发出具有优异光电转换性能的柔性电极。最佳配比（0.04 wt.% STO）使光电流密度提升至3.24 mA/cm2（纯PES的15倍），并显著抑制电子-空穴复合，为可持续氢能生产提供了高效稳定的电极解决方案。

　　

Highlight

材料

聚醚砜（Ultrason E6020P，嘉华化工有限公司，中国上海）、聚乙二醇、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和二氧化钛（TiO₂）粉末购自德国Apolda的Laborchemie公司。稀盐酸由西班牙Hamburg的Scharlau公司提供。氢氧化钠来自埃及开罗的ADWIC公司。硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃）和丙酮采购自德国Sigma-Aldrich公司。

STO纳米复合材料的合成

STO纳米复合材料采用水热技术制备。简要流程：将4克TiO₂粉末与500毫升10摩尔浓度的氢氧化钠（NaOH）溶液在剧烈搅拌下混合，形成均匀悬浮液。将混合物转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在180°C条件下反应24小时。反应结束后，通过离心收集沉淀物，用去离子水和乙醇交替洗涤至中性pH，最后在80°C真空干燥箱中烘干12小时，获得白色STO纳米复合材料。

制备的STO纳米复合材料的表征

图2展示了通过水热技术制备的STO纳米复合材料的X射线衍射（XRD）图谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）图像和透射电子显微镜（TEM）图像。

通过XRD分析探究了所合成STO纳米结构的晶体学结构特性。XRD测量使用配备CuK_α辐射源的PANalytical X’Pert Pro仪器进行，扫描范围10°至80°。图2(a)清晰显示出STO纳米复合材料具有良好的结晶性。衍射峰位置与二氧化钛（TiO₂，锐钛矿相，JCPDS卡号21-1272）和钠钛酸盐（Na₂Ti₃O₇，JCPDS卡号31-1329）的标准卡片完美匹配，证实成功合成了TiO₂@Na₂Ti₃O₇纳米复合物。未观察到杂质峰，表明产物具有高纯度。

FTIR光谱用于鉴定STO纳米复合材料中的官能团和化学键。如图2(b)所示，在3400 cm^-1附近的宽吸收峰对应于吸附水分子（H₂O）的O-H伸缩振动。1630 cm^-1处的特征峰归因于H-O-H弯曲振动。位于500-800 cm^-1范围内的强吸收带与Ti-O-Ti和Ti-O-Na键的伸缩振动有关，这确认了钛氧网络结构的成功形成。在1450 cm^-1处观察到的一个小峰可能来自残留的钠离子，证明了Na₂Ti₃O₇的存在。

拉曼光谱进一步揭示了材料的分子振动模式和晶体结构。如图2(c)所示，在144 cm^-1（E_g）、399 cm^-1（B_1g）、519 cm^-1（A_1g + B_1g）和640 cm^-1（E_g）处出现的特征峰是锐钛矿相TiO₂的典型拉曼活性模式。此外，在275 cm^-1和705 cm^-1附近观察到的一些额外弱峰可归属于Na₂Ti₃O₇的振动模式，这再次证实了复合物的形成。

SEM和TEM图像直观地展示了STO纳米复合材料的形貌和微观结构。从SEM图像（图2(d)）可以看出，材料呈现出由交错纳米带和纳米线组成的独特三维分支状“纳米毛皮”结构，这种结构具有极高的比表面积。TEM图像（图2(e)）进一步揭示了这些纳米带是超薄的，甚至部分区域呈现半透明状态，表明其极薄的厚度和良好的透光性。高分辨率TEM（HRTEM）显示清晰的晶格条纹，晶面间距测量为0.35 nm，对应于锐钛矿TiO₂的(101)晶面，而间距为0.78 nm的晶格条纹则与Na₂Ti₃O₇的(020)晶面相匹配。这些结果共同证实了STO纳米复合材料成功合成并具有理想的异质结结构。

结论

具有分支状纳米毛皮结构的STO纳米复合材料通过水热法被成功设计并制备。在我们追求高效PEC（光电化学）电池的过程中，柔性电极已成为关键组件。通过将PES与不同重量百分比的STO纳米复合材料相结合，我们制备出了具有增强性能的柔性薄膜。向纯PES中添加0.04 wt.%的STO纳米复合材料，使材料的带隙从3.577 eV和2.728 eV减小到3.501 eV和2.647 eV，有效改善了光吸收能力。值得注意的是，PES/0.04 STO复合材料表现出了最优异的光电化学性能。