一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体薄膜领域，具体涉及一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极及其制备方法。本发明专利技术提供了一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3(BFO)薄膜光电极及其制备方法，其特点在于，通过光致还原法在溶胶凝胶法制备的Nd掺杂BFO薄膜表面上负载Au纳米颗粒，其中Nd掺杂BFO薄膜是由颗粒尺寸约300～500nm的纳米颗粒堆叠而成，而Au纳米颗粒比较均匀地分布在Nd掺杂BFO薄膜光电极表面。通过Au纳米颗粒修饰和Nd元素掺杂的修饰改性后，能够提高BFO薄膜的光吸收能力、促进光生载流子的迁移和分离效率，大大改善了BFO薄膜光电极的光电化学性能。

Modification of Nd doped BiFeO by Au nanoparticles

The invention belongs to the field of semiconductor film, in particular to a Au nano particle modified Nd doped BiFeO

【技术实现步骤摘要】
一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极及其制备方法
本专利技术属于半导体薄膜领域，具体涉及一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极及其制备方法。
技术介绍
BiFeO3(简称BFO)是室温下为数不多的多铁性材料之一，其在数据储存、磁性自旋阀、量子电磁铁、微电子装置等都具有潜在应用。此外，BFO薄膜具有很大的自发极化现象(100μC/cm2)，这种自发极化能够导致BFO产生内部电场，能够形成很大的开路电压，促进光生电子空穴对的分离，表现出了不同于传统半导体的光生电荷分离机制和光伏效应，近年来已经在光电化学领域引起了广泛关注。然而，BFO薄膜光电极在自发极化作用下能够产生较大的开路电压，但是光生电流却很小，导致BFO薄膜光电极的光电转化效率并不高，这主要是受制于BFO差的电荷传输性能和快速的电子空穴复合。因此，为了提高BFO薄膜光电极的光电化学活性，使其能够真正满足实际的工业应用，需要对BFO薄膜光电极进行改性。研究发现，通过掺杂金属离子可以诱导半导体内部晶格的扭曲，调节其电子能带结构和偶极-偶极相互作用，能够在一定程度上促进光生电荷分离，从而改善半导体的光电化学性能；而在半导体表面负载贵金属(比如：Au、Ag或Pt)纳米颗粒是提高光电化学性能的另一有效手段，这主要是由于一方面可以利用贵金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应来提高半导体的光吸收能力和载流子浓度，另一方面贵金属具有较大的功函数，在贵金属/半导体界面上形成肖特基势垒，大大促进了光生电荷的分离，减少了光生电荷的复合。需要注意的是，目前报道的半导体薄膜的修饰改性大多为单独负载贵金属修饰改性或者单独掺杂金属离子改性，这种单一改性手段实际上并不能最大化改善半导体薄膜的光电化学性能。因此，通过将负载贵金属和掺杂金属离子两种改性手段相结合，对BFO薄膜进行修饰改性，有望能够利用贵金属负载和金属离子掺杂这两种修饰改性手段的协同效应，大大提高BFO薄膜的光电化学性能，促进BFO薄膜的光电化学应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极及其制备方法。本专利技术利用Nd掺杂和负载Au纳米颗粒的方式来有效提高BFO薄膜的光吸收能力，增加表面反应活性位点，促进光生电荷的分离，大大改善BFO薄膜光电极的光电化学性能。本专利技术的Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极，是利用光致还原法在溶胶凝胶法制备的Nd掺杂BFO薄膜表面负载Au纳米颗粒，其中，Nd掺杂BFO(简写为：BNFO)薄膜是由颗粒尺寸约300～500nm的纳米颗粒堆叠而成，而Au纳米颗粒比较均匀地分布在Nd掺杂BFO薄膜光电极表面，具有比BFO薄膜光电极更为优异的光电化学性能。本专利技术提供了一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极的制备方法，其特征在于，是利用光致还原法在溶胶凝胶法制备的Nd掺杂BFO薄膜表面上负载Au纳米颗粒，具体技术方案如下：(1)将一定量(10～20mmol)的五水硝酸铋和六水硝酸钕按照一定摩尔比例(0.95∶0.05～0.99∶0.01)溶于20～40ml乙二醇，超声10分钟，然后加入5～15ml冰醋酸继续超声10分钟，随后加入与前述硝酸铋和硝酸钕相同摩尔量的九水硝酸铁，超声10分钟，最后在溶液中加入适量(1.0～2.0g)的聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(PEO-PPO-PEO，商业名称P123)作为模板剂，超声30分钟后放在室温下陈化24小时，获得下一步制备Nd掺杂BFO(BNFO)薄膜用的前驱体溶胶；(2)将上述配制的前驱体溶胶通过匀胶机在一定的转速下均匀旋涂在清洗后的FTO导电玻璃表面，旋转速度为1000～2000r/min，旋涂时间为40s～60s，然后在150度热台上烘干，随后将烘干后样品放入马弗炉内550度煅烧30分钟，自然冷却到室温后，即可制备得到BNFO薄膜；(3)将步骤(2)制备的BNFO薄膜浸渍在由20毫升HAuCl4溶液(浓度为0.5～2mg/ml)、2毫升NaOH溶液(浓度为1mol/L)和4毫升柠檬酸钠溶液(浓度为0.01～0.05mol/L)所组成的混合溶液中，然后在250W高压汞灯下照射30～60分钟，光照结束后取出薄膜光电极分别用去离子水、无水乙醇冲洗，自然晾干，即可制备获得Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3(标记为Au/BNFO)薄膜光电极。本专利技术具有的优点和积极效果是：本专利技术提供的Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极的制备方法简单易行，Nd元素掺杂浓度和Au纳米颗粒的负载量可以分别通过改变前驱体硝酸钕的加入量和HAuCl4溶液的浓度来进行调控，进而对BFO薄膜光电极的结构和光电化学性能进行调控；相对于BFO、BNFO和Au/BFO薄膜光电极而言，Au纳米颗粒改性BNFO薄膜光电极表现出了更好的光电化学性能，有望在较大程度上促进BFO薄膜光电极在光电化学领域的应用。附图说明图1是实施例1所制备的BFO，Au/BFO，BNFO和Au/BNFO四种薄膜光电极样品的XRD图谱；图2是实施例1所制备的Au/BNFO薄膜光电极的(a)SEM图，以及对应的(b)Nd元素和(c)Au元素面扫描分布图；图3是实施例1所制备的Au/BNFO薄膜光电极的(a)Nd3d和(b)Au4f的高分辨XPS图；图4是实施例1所制备的BFO，Au/BFO，BNFO和Au/BNFO四种薄膜光电极样品在300W氙灯照射下在0.5MNa2SO4溶液中测得的瞬态光电流响应。具体实施方式下面通过具体的实施例对本专利技术作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。实施例1：将10mmol的五水硝酸铋和六水硝酸钕按照0.97∶0.03的摩尔比例溶于20ml乙二醇，超声10分钟，然后加入10ml冰醋酸继续超声10分钟，随后加入10mmol的九水硝酸铁，超声10分钟，最后在溶液中加入适量1.0g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(PEO-PPO-PEO，商业名称P123)作为模板剂，超声30分钟后放在室温下陈化24小时，获得下一步制备Nd掺杂BFO(BNFO)薄膜用的前驱体溶胶；将上述配制的前驱体溶胶通过匀胶机在1500r/min的转速下均匀旋涂在清洗后的FTO导电玻璃表面，旋涂时间为40s，然后在150度热台上烘干，随后将烘干后样品放入马弗炉内550度煅烧30分钟，自然冷却到室温后，即可制备得到BNFO薄膜；然后，将上述制备的BNFO薄膜浸渍在由20毫升HAuCl4溶液(浓度为1mg/ml)、2毫升NaOH溶液(浓度为1mol/L)和4毫升柠檬酸钠溶液(浓度为0.02mol/L)所组成的混合溶液中，然后在250W高压汞灯下照射30分钟，光照结束后取出薄膜光电极分别用去离子水、无水乙醇冲洗，自然晾干，即可制备获得Au/BNFO薄膜光电极。作为对照研究，BFO、Au/BFO和BNFO薄膜光电极也是在上述相同条件下制备获得，只是在制备过程中分别未加入前驱体硝酸钕或未光致还原HAuCl4，或者未加入前驱体硝酸钕或未光致还原HAuCl4，其他完全一样。将上述制备获得的BFO，Au/BFO，BNFO和Au/BNFO四种薄膜光电极样品分别作为光阳极，与铂丝对电极、Ag/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO

【技术特征摘要】
1.一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3(BFO)薄膜光电极，其特征在于：Nd掺杂BFO薄膜是由颗粒尺寸约300～500nm的纳米颗粒堆叠而成，而Au纳米颗粒比较均匀地分布在Nd掺杂BFO薄膜光电极表面。2.一种Au纳米颗粒改性Nd掺杂BiFeO3薄膜光电极的制备方法，其特征在于：利用光致还原法在溶胶凝胶法制备的Nd掺杂BFO薄膜表面上负载Au纳米颗粒，具体包括如下步骤：(1)将一定量的五水硝酸铋和六水硝酸钕按照一定摩尔比例溶于适量体积的乙二醇，超声10分钟，然后加入适量冰醋酸继续超声10分钟，随后加入与前述硝酸铋和硝酸钕相同摩尔量的九水硝酸铁，超声10分钟，最后在溶液中加入适量的聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(PEO-PPO-PEO，商业名称P123)作为模板剂，超声30分钟后放在室温下陈化24小时，获得下一步制备Nd掺杂BFO薄膜用的前驱体溶胶；(2)将步骤(1)配制的前驱体溶胶通过匀胶机在一定的转速和一定的旋涂时间下均匀旋涂在清洗后的FTO导电玻璃表面，然后在150度热台上烘干，随后将烘干后样品放入马弗炉内550度煅烧30分钟，自然冷却到室温后，即可制备得到Nd掺杂BFO薄膜；(3)将步骤(2)制备的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈达，王森，黄岳祥，秦来顺，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33