电氧化合成一维纳米氧化物结构的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于光电催化领域的一维纳米氧化物的制备方法。电化学体系为：电解质溶液为Fe2+前驱体溶液，不同配比的去离子水和多元醇作为溶剂，工作电极为导电基板，对电极为Pt金属板或石墨板，参比电极为Ag/AgCl或者饱和甘汞电极。在导电玻璃表面电沉积制备FeOOH薄膜，该薄膜样品浸渍形貌保护剂后再通过煅烧得到α-Fe2O3光阳极。采用此种方法制备光阳极，可实现α-Fe2O3光阳极薄膜与导电基板的紧密结合，提高其在光电解过程中的稳定性。在光电解过程中使用此种方法制备的光阳极，可以实现对α-Fe2O3光阳极薄膜厚度的精确控制，通过控制电流时间从而在不同电量下沉积不同厚度的薄膜，为探讨光电解池的载流子的传递机理、光学特性和膜厚度之间关系提供重要的依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电解领域，具体为一种用于光电解池的一维纳米氧化物结构的光阳极的制备方法。
技术介绍
光电解过程是半导体吸收太阳能后将能量转化并存储为化学能的过程。太阳能到化学能的转化和储存最热门的方式是通过光电解水将太阳能存储为氢气，此方式与自然界的光合作用类似，是生产清洁能源的理想方式，其过程中消耗的原料为地球上储量丰富的水资源。而氢能作为二次能源已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，具有清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点。与其他应用于光电解池的光电催化剂相比，α-Fe2O3半导体具有较窄的禁带宽度使得光电转化装置可以利用太阳光中40％的光谱带。另外，铁元素因其在自然界中储量丰富，价格便宜。α-Fe2O3因其同时具有光化学和电化学稳定性、无毒无害而被人们广泛关注。对光电解材料来说，α-Fe2O3半导体材料的制备过程及其制备条件对材料的光学特性、光电化学特性有很重要的影响。一维的纳米材料具有较好的太阳能吸收特性，同时，由于直径较小可以实现光激发的载流子的快速传输和转移，到达材料表面和导电基底。就α-Fe2O3半导体材料目前的发展来说，其制备方法多种多样。文献(WangG,LingY,WheelerDA,etal.NanoLett2011；11:3503-9；QinD-D,TaoC,YangZ-Y.EnergFuel2011；25:5257-63；XiL,TranPD,ChiamSYetal.JPhysChemC2012；116:13884-9.)中报道的溶剂热法，雾化高温分解法，水热法等方法制备α-Fe2O3光阳极。而在各种制备方法中，水热法常被用来制备具有一维纳米结构的氧化铁。但这种方法制备的赤铁矿纳米棒与导电基底(FTO、钛板等)结合力较差，作为光阳极在光电解水过程进行3-5小时后在导电基底表面部分脱落，性能不稳定。本专利技术利用电化学方法在导电基底表面制备了具有一维纳米结构的氧化铁薄膜，增强了α-Fe2O3与导电基底的结合力(在电解液环境下可保持10小时以上不脱落，稳定性提高)，同时该方法保持了一维纳米结构。
技术实现思路
为了克服α-Fe2O3半导体薄膜制备过程中一维纳米结构不易控制，及稳定性差、易脱落等问题，本专利技术的目的在于针对一维纳米结构的α-Fe2O3半导体光阳极而提供一种可增强赤铁矿薄膜和导电基板结合力、保持一维纳米结构及膜厚度易控制的制备方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：电氧化合成一维纳米氧化物结构的制备方法，通过在含有Fe2+前驱体溶液中进行电沉积，从而在导电基板的表面沉积一维的FeOOH薄膜，去离子水冲洗，待吹干后将一维FeOOH薄膜样品于含有保护剂的溶液中搅拌1-4h，然后取出样品在高温下煅烧，从而在导电基板表面得到α-Fe2O3光阳极。采用0.001-0.2MFe2+电解质溶液为电沉积前驱体混合溶液，导电基板上的阳极氧化电沉积电势范围为0.7-1.5V，温度范围为20-80℃，电沉积前驱体溶液的pH值范围为1-8条件下进行电沉积，恒压条件下电沉积时间为1-30min；含有Fe2+前驱体溶液的溶剂为去离子水和多元醇的混合溶剂，多元醇为乙二醇、丙三醇或者聚乙二醇等中一种或二种以上，其中多元醇在电沉积过程中同时作为氧化物生长的结构导向剂。将含有0.001-0.2MFe2+电解质溶液的电化学沉积槽置于恒温设备中，调节溶液中去离子水和多元醇的配比为1：1～20：1，工作电极、对电极和参比电极浸入到此电化学沉积槽的电解质溶液内，于沉积槽内工作电极的导电面与对电极相对设置并保持0.5-3.0cm的距离，通过导线将此工作电极和对电极延伸出沉积槽外侧与电化学直流电源的工作电极、对电极和参比电极分别连接构成三电级体系，进行电沉积；所述导电基板作为工作电极，其为导电玻璃、Ti板、不锈钢板或其他金属板导电基质；电沉积完毕后，对电沉积得到的导电薄膜进行高温煅烧，从而在工作电极的导电基板表面制备光阳极薄膜。所述电化学沉积槽为具有耐酸碱性的玻璃或者聚四氟容器；所述参比电极为甘汞电极、汞-硫酸亚汞电极或银-氯化银电极；所述的对电极为Pt片或者石墨板，面积大于工作电极面积。所述的恒温设备的恒温范围为20-200℃，并可根据需要进行调节。所述的多元醇为乙二醇和/或聚乙二醇等多元醇，该物质在氧化物生长过程中具有结构导向的作用。所述电解质溶液为0.001-0.2M的FeCl2、FeSO4、Fe(NO3)2或各种含有Fe2+离子中一种或二种以上的溶液。所述的高温煅烧的温度范围为300-800℃，时间为10-300min，空气环境中煅烧。所述的保护剂为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或蒙脱土等在高温下稳定的物质，含有保护剂的溶液的溶剂为去离子水、乙醇等，其中保护剂的质量浓度0.001-1mol/L。本专利技术具有以下特点：(1)本专利技术将导电基板作为工作电极，利用电沉积过程控制沉积电流时间，在不同沉积电量下制备不同厚度的赤铁矿薄膜；(2)利用电化学方法大大增强了沉积的赤铁矿薄膜与导电基板的结合力；(3)本专利技术通过调节前驱体的溶剂组成，利用多元醇对氧化物形成中的取向生长作用制备了具有一维纳米结构的α-Fe2O3。本专利技术制备的薄膜厚度可调节沉积时间控制，薄膜与基底的结合力增强，同时保持一维纳米结构的形貌。在光电解进行过程中采用此种方法制备的α-Fe2O3半导体作为光阳极，可实现将太阳能转化为化学能的应用。附图说明图1中为阳极氧化电沉积设备示意图。(1)对电极(石墨板或Pt片)，(2)导电基板(FTO、Ti板或不锈钢板)，(3)参比电极(甘汞电极、汞-硫酸亚汞电极或银-氯化银电极)，对应的导出的导线应和相应的电化学工作站的电极相连。图2为制备的一维α-Fe2O3光电极的示意图。图3为制备的一维α-Fe2O3光电极的FESEM图片，对应实施例1。图4为制备的一维α-Fe2O3光电极的FESEM图片，对应实施例2。图5为制备的一维α-Fe2O3光电极不同前驱体的紫外可见吸收光谱图片，对应实施例3.具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术所述由电沉积装置和电化学工作站组成，如图1所示是本专利技术电沉积过程示意图，工作电极和对电极浸入电解质溶液(含有Fe2+的前驱体混合溶液)，参比电极3进入到电解质溶液与工作电极2，对电极1连通构成外加参比电极，同本文档来自技高网...

【技术保护点】
电氧化合成一维纳米氧化物结构的制备方法，通过在含有Fe2+前驱体溶液中进行电沉积，从而在导电基板的表面沉积一维的FeOOH薄膜，去离子水冲洗，待吹干后将一维FeOOH薄膜样品于含有保护剂的溶液中搅拌1‑4h，然后取出样品在高温下煅烧，从而在导电基板表面得到α‑Fe2O3光阳极。

【技术特征摘要】
1.电氧化合成一维纳米氧化物结构的制备方法，通过在含有Fe2+前驱
体溶液中进行电沉积，从而在导电基板的表面沉积一维的FeOOH薄膜，去
离子水冲洗，待吹干后将一维FeOOH薄膜样品于含有保护剂的溶液中搅拌
1-4h，然后取出样品在高温下煅烧，从而在导电基板表面得到α-Fe2O3光阳
极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
采用0.001-0.2MFe2+电解质溶液为电沉积前驱体混合溶液，导电基板
上的阳极氧化电沉积电势范围为0.7-1.5V，温度范围为20-80℃，电沉积前
驱体溶液的pH值范围为1-8条件下进行电沉积，恒压条件下电沉积时间为
1-30min；
含有Fe2+前驱体溶液的溶剂为去离子水和多元醇的混合溶剂，多元醇
为乙二醇、丙三醇或者聚乙二醇等中一种或二种以上，其中多元醇在电沉
积过程中同时作为氧化物生长的结构导向剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
将含有0.001-0.2MFe2+电解质溶液的电化学沉积槽置于恒温设备中，
调节溶液中去离子水和多元醇的配比为1：1～20：1，工作电极、对电极和
参比电极浸入到此电化学沉积槽的电解质溶液内，于沉积槽内工作电极的
导电面与对电极相对设置并保持0.5-3.0cm的距离，通过导线将此工作电极
和对电极延伸出沉积槽外侧与电化学直流电源的工作电极、对电极和参比
电极分别连接构成三电级体系，...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞红梅，付丽，张长昆，贾佳，迟军，邵志刚，衣宝廉，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21