修饰二氧化钛光电极及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种Ni

【技术实现步骤摘要】
修饰二氧化钛光电极及其制备方法、应用
本专利技术属于光电材料
，具体涉及一种Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光电极及其制备方法、在光电催化分解水中的应用。
技术介绍
能源危机和环境污染是当今社会发展面临的严峻挑战，目前人们使用的燃料以煤、石油、天然气等化石能源为主，不仅储量有限且都是不可再生能源。面对这两大难题，当今世界正在经受前所未有的挑战，积极寻找来源丰富、绿色环保的可再生能源具有深远的战略意义。太阳能不仅资源丰富，而且不受地域限制，因此备受研究者的关注。氢能燃烧的唯一产物是水不会对环境造成污染，同时具有143kJ/kg的能量密度、来源丰富等优点，被广大研究者认为是最有前景的高效、绿色环保的可再生能源。因此，采用半导体光电催化技术利用太阳能直接将水分解产生氢气和氧气，并以氢气这种化学能的形式存储然后利用，是解决以上难题最有希望的方式。在太阳能光电催化分解水体系中，光电极材料是决定太阳能吸收和利用能力的关键因素，因此，选择合适的电极材料并对其加以修饰改性对提高其性能具有十分重要的影响。二氧化钛的带隙位置合适、稳定性良好，满足理想光电极的条件，是目前研究最多的半导体材料之一。其中TiO2几乎满足理想光电极的所有条件，但也存在可见光利用率低(只能吸收紫外光)、电子-空穴分离效率低和界面反应速率慢(～s级)等问题。这些缺陷成为其性能进一步提高及应用推广的瓶颈。为此，研究者一方面从提高光生电荷分离效率出发，将其与其他半导体复合，形成TypeII型异质结[X.Zhang,B.Zhang,K.Cao,J.Brillet,J.Chen,M.Wang,Y.RHEn,J.Mater.Chem.A,2015,3,21630-21636]或p-n结[X.Zhang,H.Yang,B.Zhang,Y.RHEn,Adv.Mater.Interfaces,2016,3,1500273]，在内建电场作用下促进电子-空穴分离。另一方面通过电沉积或光助电沉积等方法在二氧化钛表面修饰助催化剂，如：电沉积制备CoNiLDH/TiO2纳米管复合光电极[W.Chen,T.Wang,J.Xue,S.Li,Z.Wang,S.Sun,Small,2017,1602420]，以及借助光照电沉积制备NiFeLDH/RGO/TiO2纳米棒复合光电极[F.Ning,M.Shao,S.Xu,Y.Fu,R.Zhang,M.Wei,D.Evans,X.Duan,EnergyEnviron.Sci.,2016,9,2633-2643]。助催化剂不仅可以提供更多的反应活性位点，降低反应所需的活化能，也可以捕获光生空穴然后发生氧化反应，同时具有抑制载流子复合的作用，最终提高其光氢转换效率。但就目前而言，用于修饰TiO2的助催化剂种类还十分有限，主要包括贵金属氧化物(RuOx、IrOx)，钴基化合物(CoNiLDH)，镍/铁基化合物(NiFeLDH)等，这就为研究者寻求新型、高效且廉价的助催化剂提供了挑战。研究表明在碱性环境中，由于Fe反应活性位点的影响，Ni1-xFexOOH在电催化氧析出反应方面展现了比NiOOH和FeOOH更高的催化活性。
技术实现思路
为了促进二氧化钛光阳极表面的析氧反应，本专利技术的目的在于提供了一种Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，通过Ni1-xFexOOH与二氧化钛光电极的结合来促进载流子的分离，还提供了Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光电极在光电催化分解水中的应用。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，包括以下步骤：(1)向5.5～6.5mol/L盐酸中加入钛源化合物，室温下搅拌8～15分钟，得到混合液；所述钛源化合物为钛酸异丙酯或钛酸正丁酯，盐酸与钛源化合物的体积比为3：0.06～0.07；(2)将导电玻璃插入步骤(1)所得混合液中，并于140～160℃水热反应6～12小时，冷却至室温；然后将导电玻璃取出，水洗、干燥，再以2～5℃/分钟的速度升温至440～460℃，煅烧2～3小时后，冷却至室温，得到TiO2光阳极；(3)以步骤(2)所得的TiO2光阳极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极构成三电极体系，以含有3～7mmol/L三氯化铁、1～5mmol/L氯化镍、4.5～5.5mmol/L氟化钠、0.08～0.12mol/L氯化钾和0.98～1.02mol/L过氧化氢的水溶液为电解液，采用循环伏安法从-0.5±0.05V到0.5±0.05V的电位区间，以180～220mV/s的扫速循环扫1～10圈，然后取出工作电极，经水洗、干燥，即得。优选地，步骤(2)中所述导电玻璃为氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃。优选地，步骤(2)中干燥及步骤(3)中干燥均采用氮气吹干。采用上述方法制备得到的Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光电极，将三氯化铁中Fe3+的摩尔浓度记为C1，氯化镍中Ni2+的摩尔浓度记为C2，则x＝C1/(C1+C2)。上述Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光电极在光电催化分解水中的应用。所述FTO导电玻璃为普通市售产品。本专利技术将TiO2成长到FTO导电玻璃材料表面，然后将Ni1-xFexOOH附着在半导体材料(TiO2)表面，形成助催化层。采用Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光阳极用于光电催化分解水制氢，不仅可以有效抑制TiO2光电极的载流子复合，而且有利于降低反应活化能，以促进光电极表面析氧反应。附图说明图1为实施例2所得TiO2/Ni0.5Fe0.5OOH复合光阳极、FTO/Ni0.5Fe0.5OOH与空白基底FTO的XRD对比图；图2为实施例2所得TiO2光阳极及TiO2/Ni0.5Fe0.5OOH复合光阳极的XPS全谱图；图3为实施例2所得TiO2光阳极及TiO2/Ni0.5Fe0.5OOH复合光阳极在暗态下的线形伏安曲线；图4为实施例1～3所得TiO2/Ni1-xFexOOH光电极在光照下的线性扫描伏安曲线；图5为实施例2所得TiO2光阳极及TiO2/Ni0.5Fe0.5OOH复合光阳极在光照和开路电压条件下的电化学阻抗图。具体实施方式为了使本专利技术的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中FTO导电玻璃购自武汉晶格太阳能科技有限公司，厚度为2.2mm，电阻为14Ω，透光率为90％。实施例1一种Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，包括以下步骤：(1)向18mL6mol/L盐酸中加入0.42mL钛酸异丙酯，室温下搅拌10分钟，得到混合液；(2)将步骤(1)所得混合液倒入25mL反应釜中，并插入FTO导电玻璃，FTO导电玻璃的上端高于混合液的液面，以使FTO导电玻璃上方留一定空白区，作为电极夹固定区；将反应釜置于烘箱内，于150℃水热反应6小时，自然冷却至室温；然后将导电玻璃取出，用高纯水清洗，并用氮气吹干，得到覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃；再将覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃置于马弗炉中，以5℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ni

【技术特征摘要】
1.一种Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向5.5～6.5mol/L盐酸中加入钛源化合物，室温下搅拌8～15分钟，得到混合液；所述钛源化合物为钛酸异丙酯或钛酸正丁酯，盐酸与钛源化合物的体积比为3：0.06～0.07；(2)将导电玻璃插入步骤(1)所得混合液中，并于140～160℃水热反应6～12小时，冷却至室温；然后将导电玻璃取出，洗涤、干燥，再升温至440～460℃，煅烧2～3小时后，冷却至室温，得到TiO2光阳极；(3)以步骤(2)所得的TiO2光阳极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极构成三电极体系，以含有3～7mmol/L三氯化铁、1～5mmol/L氯化镍、4.5～5.5mmol/L氟化钠、0.08...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓凡，张炳雁，刘静，孔维倩，杨保成，
申请(专利权)人：黄河科技学院，
类型：发明
国别省市：河南,41