Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极及制备方法技术

技术编号:18927485 阅读:29 留言:0更新日期:2018-09-15 08:48
本发明专利技术Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,由表面向下逐层为Pt催化剂颗粒层、Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层、ITO导电玻璃衬底,Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层中Fe2O3与CuFeO2之间构成包裹结构,表面的Fe2O3在CuFeO2与Pt催化剂颗粒层之间形成过渡层,消除该界面处的上翘势垒,提高光阴极的光电流密度和产氢效率。本发明专利技术的Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极及制备方法,克服现有CuFeO2薄膜光电极制备温度高、容易破坏ITO导电玻璃衬底的导电性与透光性及CuFeO2与Pt催化剂颗粒层之间形成上翘势垒的缺点,具有稳定性好、可见光响应、光电流密度大和开启电压高等特点。

Pt modified Fe2O3 encapsulated CuFeO2 photocathode and its preparation method

The Pt modified Fe2O3 coated CuFeO2 photocathode consists of a Pt catalyst granular layer, a Fe2O3 coated CuFeO2 granular film layer, and an ITO conductive glass substrate. The Fe2O3 coated CuFe2O3 formed an encapsulation structure between Fe2O3 and CuFeO2 in the CuFeO2 granular film layer. The Fe2O3 on the surface formed a transition layer between CuFeO2 and Pt catalyst granular layer. The upturned barrier at the interface is eliminated, and the photocurrent density and hydrogen production efficiency of photocathode are improved. The Pt-modified Fe2O3-coated CuFeO2 photocathode and its preparation method overcome the shortcomings of the existing CuFeO2 thin film photocathode, such as high preparation temperature, easily destroying the conductivity and transmittance of ITO conductive glass substrate, and forming a warping barrier between CuFeO2 and the particle layer of Pt catalyst, having good stability, visible light response and high photocurrent density. And high opening voltage.

【技术实现步骤摘要】
Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极及制备方法
本专利技术涉及光电化学
,具体涉及Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极及制备方法,可在ITO导电玻璃衬底上低温制备CuFeO2薄膜光阴极。
技术介绍
氢能具有高效、清洁、可再生等优点,是目前广泛研究的化石能源替代技术之一。自从Fujishima等人开拓性地将二氧化钛(TiO2)电极应用于光解水制氢,寻找具有高稳定性、高产氢效率的半导体光电极就成为了热门的研究课题。相比于在光解水反应中产生氧气的光阳极,直接在表面析出氢气的光阴极研究报道的成果较少,这主要是因为可用于制备光阴极的p型半导体种类数量较少。CuFeO2属于铜铁矿材料的一种,具有p型导电性、可见光响应、适合产氢的能带结构等特点。但目前常见的CuFeO2薄膜光电极的制备方法,如溶胶凝胶法、电化学沉积法、固相反应法等存在一些缺陷,一方面是制备温度较高,一般在700℃甚至1000℃以上,并需要持续退火处理数十个小时,而常用的透明导电衬底,如ITO玻璃等的导电性和透光性很容易在高温处理下遭到破坏,700℃的退火处理甚至可能彻底破坏掉ITO玻璃;另一方面,虽然CuFeO2的能带结构很适合作为光阴极,但其功函数与目前公认最高效的Pt等贵金属产氢催化剂的功函数的差异较大,容易在界面处形成不利于光生载流子输运的上翘势垒。因此,针对上述问题,有必要提出进一步的解决方案。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题,本专利技术提供Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极及制备方法。为实现上述目的,本专利技术采用的技术方案为:Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,光阴极由表面向下逐层为Pt催化剂颗粒层、Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层、ITO导电玻璃衬底,Pt催化剂颗粒沉积在Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层表面,得到Pt催化剂颗粒层,Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层中Fe2O3与CuFeO2之间构成包裹结构,Fe2O3和沉积好的CuFeO2颗粒层结合在一起,融合成一个整体的Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层,表面的Fe2O3在CuFeO2与Pt催化剂颗粒层之间形成过渡层。进一步的,所述Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层的厚度为1-1.2μm。进一步的,所述Pt催化剂颗粒层中的Pt颗粒的平均直径为30-40nm。进一步的,所述Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层中的CuFeO2为p型,禁带宽度为1.3-1.6eV。进一步的,所述Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层为交替采用电泳沉积法和溶胶-凝胶法制备得到,所述Pt催化剂颗粒层采用光还原法制备得到。进一步的,包括以下步骤:步骤一、按重量比4:1-5:1称取制备好的CuFeO2粉末和碘粉并经混合后放入丙酮溶液中,配制成重量比1:1-1:1.5的电泳沉积悬浊液,将所述悬浊液在超声波清洗机中超声震荡处理15-20min,得到混合均匀的悬浊液;步骤二、将一块面积为2-4cm2、表面清洁过的ITO导电玻璃衬底和一块面积8-10cm2的石墨电极片平行放入步骤一制备好的悬浊液中,ITO导电玻璃衬底与石墨电极片间隔1-1.5cm,ITO导电玻璃衬底接正极,石墨电极片接负极,在ITO导电玻璃衬底和石墨电极片之间持续施加50-60V直流电压,持续时间为2-2.5min,使CuFeO2颗粒沉积于ITO导电玻璃衬底表面;步骤三、将步骤二中得到的已沉积好CuFeO2颗粒的ITO导电玻璃衬底在空气中晾干,使用匀胶机和制备好的FeCl3溶胶在其表面甩胶处理数次,匀胶时间为5-7s,匀胶转速1000-1200r/min,甩胶时间为25-30s,甩胶转速3000-3200r/min,每次甩胶处理后先将样品在150-180℃烘箱中烘干处理5-7min,再进行下一次甩胶操作;步骤四、将步骤三中制备好的样品放入管式炉中,空气氛下380-400℃退火处理1.5-2h;步骤五、待步骤四中已退火的样品自然冷却后,用移液枪在样品表面均匀涂覆0.2-0.3mL、浓度为0.1-0.15M的H2PtCl6溶液并放置在汞灯下光照20-25min,得到所需Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极。进一步的,步骤一中,所述CuFeO2粉末的制备过程为:按摩尔比2:1称取一定量的CuO和Fe2O3粉末,经研磨、混合均匀后盛放于石英舟容器中,再放入石英管式炉中,向石英管式炉中通入氩气,调节氩气流量,待石英管式炉中的空气被排尽后,设定石英管式炉升温时间4-4.5h,1100-1200℃下保温48-50h,随后自然降温,烧结反应完成后得到所需CuFeO2粉末。进一步的,步骤三中,使用FeCl3溶胶制备Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层,所述FeCl3溶胶的制备过程为:将一定量的FeCl3.6H2O溶于一定量的乙二醇溶液中,充分搅拌形成浓度为10-12mM、透明无沉淀的溶胶,静置一段时间后待用。进一步的,步骤五中,用移液枪在样品表面均匀涂覆0.2-0.3mL、浓度为0.1-0.15M的H2PtCl6溶液并放置在300-350W的汞灯下进行光照,样品与汞灯间隔30-35cm。与现有技术相比,本专利技术具有以下优点:(1)本专利技术采用电泳沉积方法,将通过固相烧结反应得到的结晶良好的CuFeO2颗粒沉积到ITO导电玻璃衬底上,再通过溶胶-凝胶法得到Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层结构,在较低的退火温度下完成制备,得到所需Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,克服了目前常见的CuFeO2薄膜光电极制备方法退火温度高、容易破坏ITO玻璃衬底的导电性与透光性以及CuFeO2与Pt催化剂颗粒层之间会形成上翘势垒的缺点,制备工艺简单、制备温度低、能够很好的拓展到FTO导电玻璃等常用透明导电衬底上,所得Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光解水薄膜光阴极具有稳定性好、可见光响应、光电流密度大和开启电压高等优点;(2)本专利技术采用光还原方法在Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层表面修饰Pt催化剂颗粒,提高了光阴极的光解水产氢效率;(3)本专利技术采用FeCl3溶胶制备Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层结构,FeCl3溶胶退火后形成Fe2O3没有引入新的掺杂元素,增强了CuFeO2之间以及CuFeO2与ITO导电玻璃衬底之间的连接与导电性,明显减少了电阻,提升了光阴极的稳定性和光电流密度;(4)Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层结构中表面的Fe2O3在CuFeO2与Pt催化剂颗粒层之间形成了过渡层结构,有效改善了CuFeO2与Pt催化剂颗粒之间的能带匹配,增强了光电化学性质,消除了该界面处的上翘势垒,提高了光阴极内光生载流子的输运效率。附图说明图1是本专利技术的结构示意图;图2a是本专利技术实施例1未修饰Pt颗粒的截面扫描电镜图;图2b是本专利技术实施例1未修饰Pt颗粒的表面扫描电镜图;图3a是本专利技术实施例1表面修饰Pt颗粒的扫描电镜图;图3b是本专利技术实施例1中Pt元素X射线能谱元素分布图;图4是本专利技术实施例1的X射线衍射图;图5是本专利技术实施例1的截面X射线能谱元素分布图;图6是本专利技术实施例1表面修饰Pt颗粒前后的光电流密度-时间曲线对比图;图7是本专利技术实施例1表面修饰Pt颗粒前后的光电流密度-偏压曲线对比图;图8是本专利技术实施例1的紫外-可见光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,其特征在于,所述光阴极由表面向下逐层为Pt催化剂颗粒层(3)、Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)、ITO导电玻璃衬底(1),所述Pt催化剂颗粒层(3)中的Pt颗粒沉积在Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)表面,Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)中Fe2O3与CuFeO2之间构成包裹结构,表面的Fe2O3在CuFeO2与Pt催化剂颗粒层(3)之间形成过渡层。

【技术特征摘要】
1.Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,其特征在于,所述光阴极由表面向下逐层为Pt催化剂颗粒层(3)、Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)、ITO导电玻璃衬底(1),所述Pt催化剂颗粒层(3)中的Pt颗粒沉积在Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)表面,Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)中Fe2O3与CuFeO2之间构成包裹结构,表面的Fe2O3在CuFeO2与Pt催化剂颗粒层(3)之间形成过渡层。2.根据权利要求1所述的Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,其特征在于,所述Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)的厚度为1-1.2μm。3.根据权利要求1所述的Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,其特征在于,所述Pt催化剂颗粒层(3)中的Pt颗粒的平均直径为30-40nm。4.根据权利要求1所述的Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,其特征在于,所述Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)中的CuFeO2为p型,禁带宽度为1.3-1.6eV。5.根据权利要求1所述的Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极,其特征在于,所述Fe2O3包裹CuFeO2颗粒薄膜层(2)为交替采用电泳沉积法和溶胶-凝胶法制备得到,所述Pt催化剂颗粒层(3)采用光还原法制备得到。6.根据权利要求1-5任一所述的Pt修饰Fe2O3包裹CuFeO2光阴极的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、按重量比4:1-5:1称取制备好的CuFeO2粉末和碘粉并经混合后放入丙酮溶液中,配制成重量比1:1-1:1.5的电泳沉积悬浊液,将所述悬浊液在超声波清洗机中超声震荡处理15-20min,得到混合均匀的悬浊液;步骤二、将一块面积为2-4cm2、表面清洁过的ITO导电玻璃衬底(1)和一块面积8-10cm2的石墨电极片平行放入步骤一制备好的悬浊液中,ITO导电玻璃衬底(1)与石墨电极片间隔1-1.5cm,ITO导电玻璃衬底(1)接正极,石墨电极片接负极,在ITO导电玻璃衬底(1)和石墨电极片之间持续施加50-60V直流电压,持续时...

【专利技术属性】
技术研发人员:程小荣吴阳江刘昊从金亮张明玉包晨阳
申请(专利权)人:苏州工业职业技术学院
类型:发明
国别省市:江苏,32

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