铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极和制备方法及其在光解水制氢的应用技术

本发明专利技术公开了一种铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极及其在光解水制氢的应用，所述光阳极包括导电玻璃及修饰在导电玻璃表面的BiVO4层，所述光阳极还包括修饰在BiVO4层表面的BiFeO3层。本发明专利技术还公开了所述光阳极的制备方法。铁电性光催化剂BiFeO3可以有效解决BiVO4电极的电荷复合严重和氧析出动力学缓慢的问题，且电极光解水性能可通过外加电场调控BiFeO3电极化方向而进行调控。在AM 1.5G光照射下，1.23V(vs.RHE)处的光电流密度提升约4.3倍，高于常用磷酸钴催化剂修饰的25％。更为重要的是，经BiFeO3修饰后，光电极的起始电位负移了约400mV，显著地提高了电极的氧析出动力学。

Optical anode of bismuth vanadate Modified Bismuth Vanadate and its preparation method and application in hydrogen production by water splitting

The invention discloses a light anode BiFeO3 Modified Bismuth Vanadate and its application in water photolysis, the light anode comprises a conductive glass and modification in BiVO4 layer of conductive glass surface, the optical anode also includes modification in the BiFeO3 layer BiVO4 layer surface. The invention also discloses a preparation method of the optical anode. Ferroelectric BiFeO3 photocatalyst can effectively solve the serious charge recombination and oxygen precipitation kinetics of BiVO4 electrode slowly, and the electrical performance of water solution can be Aurora regulated by external electric field polarization direction control BiFeO3. In the AM 1.5G light, 1.23V (vs.RHE) light current density at about 4.3 times higher than the commonly used catalyst, cobalt phosphate modified 25%. More importantly, after the modification of BiFeO3, the initial potential of the negative electrode is shifted by about 400mV, which greatly improves the oxygen precipitation kinetics.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光解水制氢领域，具体涉及一种铁酸铋修饰钒酸铋光阳极及其制备方法和在光解水制氢的应用。
技术介绍
氢能作为一种清洁环保，燃烧热值高，利用途径多，被认为是一种理想的二次能源，但它必须通过一次能源获得。目前，工业上大规模制氢主要采用天然气热裂解的方法，这种方法消耗了有限的化石能源，也带来严重的环境污染。因此，利用太阳能分解水制氢将是未来大规模制氢的重要来源之一。光化学电池是一种利用湿化学方法将太阳能直接转化成化学能的系统，它利用半导体与电解液的直接接触来达到太阳能转化和存储的目的。开始有人利用TiO2作为工作电极，Pt作为对电极，组成光电电化电池。这种光电电化学电池在高压泵灯的照射下，能将H2O分解成H2和O2，虽然TiO2电极显示了非常好的光稳定性，但是TiO2的带隙太宽，不能吸收大部分的可见光，因此，太阳能转换效率太低，无法实用化。因此提高太能能转换效率主要是通过优化光电电池分解水的核心器件——半导体电极。目前主要研究的光电极材料包括非氧化物材料和氧化物材料，非氧化物材料制备成本高及光腐蚀现象严重，目前已经很少人关注。氧化物材料由于电极通常较稳定，制备方法简单，成本低廉，受人们广泛关注，主要集中在TiO2、WO3、Fe2O3、BiVO4等。其中BiVO4具有储量丰富、成本低廉和在中性溶液中稳定性很好的特点，并且其拥有相对于标准氢电极2.4V的价带边，可很好地用来催化水，同时其还具有2.4eV的窄带隙，能够吸收可见光516nm以下的太阳光。BiVO4的理论光解水效率为9.2％，相当于光电流密度7.5mAcm-2，但是BiVO4实际的光解水效率远低于其理论效率，本征BiVO4光阳极的电流密度仅为0.42mAcm-2，这主要是由以下三方面原因造成:(i)电子输运差和表面缺陷高造成的高达60-80％的电荷复合；(ii)氧析出动力学过程慢和(iii)导带边略低于可逆氢电位。所以如何提高BiVO4光解水制氢效率是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极及其在光解水制氢的应用，将BiVO4修饰到FTO导电玻璃材料表面，然后将BiFeO3包裹在半导体材料表面，形成均匀的钝化层和催化层。采用铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极用于光解水制氢可以有效解决BiVO4电极的电荷复合严重和氧析出动力学缓慢的问题，且电极光解水性能可通过外加电场调控BiFeO3电极化方向而进行调控。为达到上述目的，本专利技术提供如下的技术方案：1、BiFeO3修饰的BiVO4光阳极，所述光阳极包括导电玻璃及修饰在导电玻璃表面的BiVO4层，所述光阳极还包括修饰在BiVO4层表面的BiFeO3层。优选的，所述BiFeO3层厚度为20-100nm。更优选的，所述BiFeO3层厚度为20nm。2、所述BiFeO3修饰的BiVO4光阳极的制备方法，包括以下步骤：1)制备BiVO4光阳极：将Bi(NO3)3、NH4VO3溶解至2-3mol/L的HNO3溶液中并均匀混合，将清洗后的FTO导电玻璃浸泡到上述溶液中3-30s，取出后水平放置晾干，然后在450-500℃温度条件下退火2-4h；2)BiFeO3修饰的BiVO4光阳极制备：将Bi(NO3)3、Fe(NO3)3·9H2O在乙二醇和乳酸中混合，然后在80-95℃条件下搅拌浓缩上述溶液，然后将溶液滴到步骤1)所制备的BiVO4光阳极表面，然后在500-550℃温度条件下退火0.5-1.0h。优选的，步骤1)中所述Bi(NO3)3、NH4VO3和HNO3溶液摩尔体积比(mmol:mmol:ml)为2-4:2-4:8-10，步骤2)中所述Bi(NO3)3、Fe(NO3)3·9H2O、乙二醇和乳酸的质量比为0.75-0.95:0.7-0.9:3-5:1.4-1.8。优选的，所述BiFeO3修饰的BiVO4光阳极的制备方法，包括以下步骤：1)制备BiVO4光阳极：将2mmolBi(NO3)3和2mmolNH4VO3溶解到10ml浓度为2mol/L的HNO3溶液中，然后，将清洗好的FTO导电玻璃浸泡到上述溶液中5s，然后将FTO导电玻璃取出并水平放置晾干，然后在450℃温度条件下退火2h；2)BiFeO3修饰的BiVO4光阳极制备：将0.85gBi(NO3)3和0.8gFe(NO3)3·9H2O溶解到4.0g乙二醇和1.68g乳酸中，在90℃温度条件下搅拌，水分蒸发到溶液为13ml时，停止加热，将溶液滴加至步骤1)所制备的BiVO4光阳极表面，然后在2300rpm的转速下旋涂1min，最后在500℃温度条件下退火30min。3、所述BiFeO3修饰的BiVO4光阳极在光解水制氢的应用。本专利技术的有益效果在于：铁电性光催化剂BiFeO3可以有效解决BiVO4电极的电荷复合严重和氧析出动力学缓慢的问题。在AM1.5G光照射下，1.23V(vs.RHE)处的光电流密度提升约4.3倍，高于常用磷酸钴催化剂修饰的25％。更为重要的是，经BiFeO3修饰后，光电极的起始电位负移了约400mV，显著地提高了电极的氧析出动力学。此外，铁电极化的方向可以通过外加电场进行调控，进而实现提高或减弱电极的光解水性能。同时，BiFeO3修饰的BiVO4纳米电极具有优异的稳定性。这些结果表明，BiFeO3铁电性材料作为钝化层和催化剂在大幅提高光解水性能方面具有重大的研究意义。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图(其中图中BiVO4简写为BVO；BiFeO3简写为BFO)：图1表示BiFeO3修饰的BiVO4光阳极结构示意图；图2表示BiVO4/BiFeO3光阳极和BiVO4光阳极暗态、亮态和斩光的线性伏安曲线；图3表示BiFeO3修饰层厚度的优化及相关电极线性伏安曲线；图4表示BiVO4和BiVO4/BiFeO3电极的稳定性测试图；图5表示BiVO4和BiVO4/BiFeO3电极紫外-可见光吸收曲线和光学带隙图；图6表示BiVO4和BiVO4/BiFeO3电极外量子效率图；图7表示表示BiVO4和BiVO4/BiFeO3电极电荷转移效率图；图8表示可见光下，BiVO4电极不同电位下的强度调制光电流谱；图9表示BiVO4/BiFeO3电极不同电位下的强度调制光电流谱；图10表示BiVO4/Co-Pi电极和BiVO4/BiFeO3电极暗态、亮态和斩光线性伏安曲线；图11表示BiVO4/Co-Pi电极和BiVO4/BiFeO3电极的稳定性测试图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
BiFeO3修饰的BiVO4光阳极，所述光阳极包括导电玻璃及修饰在导电玻璃表面的BiVO4层，其特征在于，所述光阳极还包括修饰在BiVO4层表面的BiFeO3层。

【技术特征摘要】
1.BiFeO3修饰的BiVO4光阳极，所述光阳极包括导电玻璃及修饰在导电玻璃表面的BiVO4层，其特征在于，所述光阳极还包括修饰在BiVO4层表面的BiFeO3层。
2.根据权利要求1所述BiFeO3修饰的BiVO4光阳极，其特征在于，所述BiFeO3层厚度为
20-100nm。
3.根据权利要求2所述BiFeO3修饰的BiVO4光阳极，其特征在于，所述BiFeO3层厚度为
20nm。
4.权利要求1～3任一项所述BiFeO3修饰的BiVO4光阳极的制备方法，其特征在于，包括以
下步骤：
1)制备BiVO4光阳极：将Bi(NO3)3、NH4VO3溶解至2-3mol/L的HNO3溶液中并均匀混合，
将清洗后的FTO导电玻璃浸泡到上述溶液中3-30s，取出后水平放置晾干，然后在450-500℃
温度条件下退火2-4h；
2)BiFeO3修饰的BiVO4光阳极制备：将Bi(NO3)3、Fe(NO3)3·9H2O在乙二醇和乳酸中混合，
然后在80-95℃条件下搅拌浓缩上述溶液，然后将溶液滴到步骤1)所制备的BiVO4光阳极
表面，然后在500-550℃温度条件下退火0.5-1.0h。
5.根据权利要求4所述BiFeO3修饰的BiVO4光阳极的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢佳乐，杨萍萍，李长明，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85