一种钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方法，属于新能源材料技术领域，先通过水热法在二氧化锡导电玻璃(FTO)基底上生成β‑FeOOH，然后通过浸泡磷酸盐溶液及热处理生成磷掺杂的氧化铁光阳极，最后利用光辅助电沉积法在磷掺杂的氧化铁光阳极表面沉积一层CoOOH，得到钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极（CoOOH‑P‑Fe2O3）。由于磷掺杂提升了氧化铁光阳极的导电性,钴氧氧氢又用作析氧助催化剂，所以与基础氧化铁相比，此法制得的钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极光电流密度提升了200%。

Preparation of a Phosphorus-doped Iron Oxide Photoanode Modified by Cobalt Oxygen Hydrogen

The invention relates to a preparation method of phosphorus-doped iron oxide photocathode modified by cobalt oxyhydrogen, belonging to the technical field of new energy materials. Firstly, beta FeOOH is formed on tin dioxide conductive glass (FTO) substrate by hydrothermal method, then phosphorus-doped iron oxide photocathode is formed by immersing phosphate solution and heat treatment, and finally, phosphorus-doped iron oxide photocathode is produced by photo-assisted electrodeposition method. A layer of CoOOH was deposited on the surface to obtain phosphorus-doped iron oxide photocatalyst (CoOOH P Fe2O3) modified by cobalt oxygen and hydrogen. As phosphorus doping improves the conductivity of iron oxide photocatalyst and cobalt oxyhydrogen is used as oxygen evolution promoter, the photocurrent density of cobalt oxyhydrogen modified phosphorus doped iron oxide photocatalyst prepared by this method is 200% higher than that of basic iron oxide.

【技术实现步骤摘要】
一种钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方法
本专利技术属于新能源材料
，特别涉及钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方法。
技术介绍
光电化学（PEC）电池通过水分解成氧气和氢气，将太阳能转化为储存的化学能。近年来，氧化铁（α-Fe2O3）作为水分解的光阳极材料被广泛研究，这是因其有利的光学带隙（Eg=2.2eV），在水环境中具有优异的化学稳定性，天然丰度、成本低。理论上氧化铁的水氧化效率可达12.4％。然而已报道的氧化铁水氧化效率低于这个预测值，主要是由于光生载流子的寿命非常短，空穴扩散距离短，放氧反应动力学缓慢，平带电位低。通常利用如下办法使氧化铁光阳极获得更高水氧化效率：（1）通过掺杂改变化学成分；（2）改变氧化铁纳米结构；（3）用析氧催化剂进行表面改性；（4）用无机材料进行表面钝化。因此，需要寻找一种简单易操作的修饰α-Fe2O3光阳极的方法来提高α-Fe2O3的光电性能。
技术实现思路
本专利技术目的是，提出一种钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方法。通过磷掺杂提升氧化铁光阳极的导电性，并利用CoOOH作为析氧助催化剂来加快析氧反应动力学过程。本专利技术的技术方案是，一种钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方法，其特征是包括如下步骤：1)首先通过水热法在FTO基底上生成β-FeOOH；2)将步骤1中制得的β-FeOOH在磷酸钠水溶液浸泡后进行热处理，得到P掺杂的氧化铁光阳极（P-Fe2O3）；3)通过光辅助电沉积法在步骤2所制得的P-Fe2O3表面沉积一层CoOOH助催化剂，最终得到钴氧氧氢修饰的磷掺杂氧化铁光阳极（CoOOH-P-Fe2O3）。进一步，步骤1中水热反应的反应液为0.15mol/L氯化铁和1mol/L硝酸钠的混合水溶液，反应条件为100℃反应6小时，自然冷却至室温。进一步，步骤2中的磷酸钠溶液浓度为0.05mol/L，浸泡时间为30s～480s。进一步，步骤2中的热处理工艺为两步退火法，首先升温至550℃保温2小时，再直接升温至750℃保温10min，升温速率为10℃/10min，自然冷却至室温。进一步，步骤3中光辅助电沉积条件具体如下：1)电解液为0.01mol/L的乙酸钴水溶液；2)沉积电压为0V(vsAg/AgCl)；3)沉积时间为30s～500s；4)光强为模拟太阳光(AM1.5G，100mWcm-2)。本专利技术的有益效果：采用本方法制备的钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极薄膜材料，其性能相较于基础氧化铁光阳极材料有明显提升，在模拟太阳光下光阳极的正面光电流分别达到0.928mA/cm2。实现了太阳能向化学能的转换。附图说明图1是α-Fe2O3、P-Fe2O3、CoOOH-Fe2O3及CoOOH-P-Fe2O3光阳极的扫描电镜照片；图2是CoOOH-P-Fe2O3光阳极的透射电镜照片；图3是α-Fe2O3、P-Fe2O3、CoOOH-Fe2O3及CoOOH-P-Fe2O3光阳极在可见光下的光电流。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。具体实施例1：α-Fe2O3光阳极的制备方法包括如下步骤：1)将FTO依次使用异丙醇、丙酮、乙醇和水进行超声清洗。FTO清洗吹干后，以背对背且垂直内衬底面的(FTO的SnO2面正对内衬壁)方式放置于聚四氟乙烯内衬里。在20mL水溶液里加入0.81gFeCl3•6H2O，以及1.69gNa2NO3，搅拌20min。将搅拌后的溶液加入聚四氟乙烯内衬中，然后将聚四氟乙烯内衬置于高压釜密封，在马弗炉中100℃下加热6小时。水热之后，FTO上生长了一层淡黄色半透明的β-FeOOH薄膜，将β-FeOOH薄膜用去离子水清洗后风干。2)将β-FeOOH放在马弗炉中进行热处理，热处理工艺为两步退火法，首先升温至550℃保温2小时，再直接升温至750℃保温10min，升温速率为10℃/10min，自然冷却至室温，得到α-Fe2O3光阳极。具体实施例2：P-Fe2O3光阳极的制备方法包括如下步骤：1)同具体实施例1步骤1一致；2)称量0.38gNa3PO4•12H2O并溶于20mL去离子水中，配置成0.05mol/L的磷酸钠溶液，将步骤1中制得的β-FeOOH在磷酸钠溶液中浸泡30s~480s，结果表明浸泡时间为180s时性能最优；3)将步骤2中磷处理后的β-FeOOH进行热处理，热处理条件与具体实施例1中的步骤2相同，得到磷掺杂的氧化铁光电极（P-Fe2O3）。具体实施例3：CoOOH-Fe2O3光阳极的制备方法包括如下步骤：1)称量0.06gC4H6CoO4•4H2O并溶于25mL去离子水中，配置成0.01M乙酸钴溶液；2)将具体实施例1中制得的Fe2O3光阳极作为工作电极，铂片电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极组成三电极体系。使用步骤1中配置的乙酸钴溶液作为电解液，在模拟太阳光光照下(AM1.5G，100mWcm-2)进行光辅助电沉积，沉积电压为0V(vsAg/AgCl)；3)沉积时间为30s～500s，得到钴氧氧氢修饰的氧化铁光电极（CoOOH-Fe2O3），结果表明沉积时间为90s时性能最优。具体实施例4：CoOOH-P-Fe2O3光阳极的制备方法包括如下步骤：1)将具体实施例2中所制得的P-Fe2O3光阳极进行光辅助电沉积，在表面沉积一层析氧助催化剂CoOOH，沉积条件与具体实施例3中的步骤2一致，得钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极（CoOOH-P-Fe2O3）。图1中a、b、c、d分别给出了α-Fe2O3、P-Fe2O3、CoOOH-Fe2O3及CoOOH-P-Fe2O3光阳极的扫描电镜表面照片。从图a和b可以看出，当进行磷掺杂后，氧化铁纳米棒的直径由原来的110nm增至160nm。从图a和c可以看出，当进行钴氧氧氢修饰后，氧化铁纳米棒的直径无明显变化。图2给出了CoOOH-P-Fe2O3光阳极的透射电镜照片，从图中可以看出所制得的CoOOH-P-Fe2O3光阳极是具有核壳结构的纳米棒状。图3是α-Fe2O3、P-Fe2O3、CoOOH-Fe2O3及CoOOH-P-Fe2O3光阳极在可见光下的光电流，从图中可见，α-Fe2O3、P-Fe2O3、CoOOH-Fe2O3及CoOOH-P-Fe2O3的正面光电流分别为0.309、0.672、0.511、0.928mA/cm2。与基础氧化铁相比，P-Fe2O3的正背面光电流提升了117%；CoOOH-Fe2O3的正面光电流提升了65%；CoOOH-P-Fe2O3的正面光电流提升了201%。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.制备钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的方法，其特征是包括如下步骤：1)首先通过水热法在二氧化锡导电玻璃(FTO)基底上生成β‑FeOOH；2)将步骤1中制得的β‑FeOOH在磷酸盐水溶液浸泡后进行热处理，得到P掺杂的氧化铁光阳极（P‑Fe2O3）；3)通过光辅助电沉积法在步骤2所制得的P‑Fe2O3表面沉积一层CoOOH助催化剂，最终得到钴氧氧氢的修饰磷掺杂氧化铁光阳极（CoOOH‑P‑Fe2O3）。

【技术特征摘要】
1.制备钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的方法，其特征是包括如下步骤：1)首先通过水热法在二氧化锡导电玻璃(FTO)基底上生成β-FeOOH；2)将步骤1中制得的β-FeOOH在磷酸盐水溶液浸泡后进行热处理，得到P掺杂的氧化铁光阳极（P-Fe2O3）；3)通过光辅助电沉积法在步骤2所制得的P-Fe2O3表面沉积一层CoOOH助催化剂，最终得到钴氧氧氢的修饰磷掺杂氧化铁光阳极（CoOOH-P-Fe2O3）。2.如权利要求1所述的一种钴氧氧氢的修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方法，其特征在于：所述的钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极为核-壳结构，Fe2O3为核，外部沉积的CoOOH为壳。3.如权利要求1所述的一种钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方法，其特征在于：步骤1中水热反应的反应液为0.15mol/L氯化铁和1mol/L硝酸钠的混合水溶液，反应条件为100℃反应6小时，自然冷却至室温。4.如权利要求1所述的一种钴氧氧氢修饰磷掺杂氧化铁光阳极的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长海，徐宇，陈智栋，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32