一种两步电化学法制备g‑C3N4/MMO复合薄膜光电极，所述制备是电极基体的预处理；MMO电极前驱体制备；MMO电极制备；g‑C3N4/MMO光电极制备，制得复合g‑C3N4/MMO光电极在模拟太阳光照射下，在电极体系测试光电其催化性能，相较现有方法制备的光电极具有催化活性高、分散性好和稳定性好等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种两步电化学法制备g-C3N4/MMO复合薄膜光电极
本专利技术涉及一种g-C3N4/MMO复合薄膜的制备方法，尤其是一种用于分解水制氢的g-C3N4/MMO的复合薄膜光电极的两步电化学制备方法。技术背景化石燃料的广泛使用导致了全球变暖以及酸雨等严重的环境问题，而且化石燃料储量有限，严重制约着人类的可持续健康发展，为了减少化石燃料消耗，同时解决相关的环境问题，增加太阳能、氢能等清洁能源利用的需求已得到广泛认可，光电催化水分解制氢可以有效利用太阳光将水分解产生清洁能源氢气，是一种可以同时解决能源危机和环境污染问题的最有前景的技术，光电极是关键技术核心，优异的可见光响应和电荷传输能力对确保有效的光吸收和能量转换至关重要，因此寻找合适的光电催化电极材料至关重要。石墨相氮化碳（Graphiticcarbonnitride,g-C3N4）是一种具有独特二维结构的半导体材料，其禁带宽度约为2.7eV，且具有良好的化学稳定性和可调控的电子结构，2009年福州大学王心晨教授首先通过DFT理论研究发现g-C3N4具有良好的半导体特性，并且在可见光（λ>420nm）下可以催化水分解产生氢气（X.C.Wang,K.Maeda,A.Thomas,etal.,Ametal-freepolymericphotocatalystforhydrogenproductionfromwaterundervisiblelight[J].NatureMaterials.,2009,8:76-82.），然而由于光生电子空穴的快速复合，g-C3N4的量子效率相当低，在辐射波长为420-460nm时，其量子效率仅为0.1％，为了提高g-C3N4的光催化效率，光生电子空穴的有效分离和较大的可见光的吸收范围是至关重要的。因此需要对其进行改性，目前通过和半导体材料复合构建异质结是一个很好的解决方法，Hou报道了g-C3N4/BiOBr等，通过异质结的构建不仅增大了可加光的吸收效率而且加速了载流子的传输和分离，提高了光电水分解的性能。层状双金属氢氧化物（LayeredDoubleHydroxides，LDHs）作为一种无机半导体材料，具有较强的阴离子交换能力、较大的比表面积和简便的合成方法，然而，LDHs光催化剂存在一个严重的问题，即光活性物质容易聚集，导致光催化活性低，LDH通过高温煅烧可以转变成以金属氧化物或尖晶石为主要成分的混合双金属氧化物(MMO)，这种混合双金属氧化物具有光化学特性好、结晶度高、电荷转移效率高和可见光吸收强度好等优点；Huang课题组报道了BiVO4/NiFe-LDH光阳极，由于LDH的加入，使得光带逆流密度（1.23VvsRHE）比单纯的BiVO4提高了2.8倍，加速了水的表面氧化过程，提高了光催化水分解效率（HuangY,YuY,XinY,etal.PromotingchargecarrierutilizationbyintegratinglayereddoublehydroxidenanosheetarrayswithporousBiVO4photoanodeforefficientphotoelectrochemicalwatersplitting[J].ScienceChinaMaterials,2017,60(3):193-207.）；但是目前报道的光电催化剂大多是粉末状态，通过热压、滴涂等方式做成电极，过程复杂，并且制备的电极表面催化剂分布不均匀、并且催化剂表层容易脱落，导致电极使用寿命很短，基于以上思路及现有技术，本专利技术首次提出了通过两步电化学方法在电极基体上制备的g-C3N4/MMO复合薄膜光电极，相较传统方法制备的光电极具有催化活性高、分散性好和稳定性好等优点。
技术实现思路
本专利技术在现有技术的基础上，提供一种两步电化学法制备g-C3N4/MMO复合薄膜光电极，以克服现有光电催化水分解过程中，对可见光利用率低、催化活性低、电极稳定性差、反应过电势过高等不足，使之在常温常压、较低过电位条件下实现高效率、高催化活性的水分解。本专利技术采用如下技术方案。一种两步电化学法制备g-C3N4/MMO复合薄膜光电极，所述电化学法制备g-C3N4/MMO复合薄膜光电极的方法是按下列步骤进行的：（1）电极基体的预处理将FTO导电玻璃或纯度为99%以上的金属片作为电极基体，用砂纸打磨，在100oC质量分数为3%的草酸溶液浸泡30min，并用去离子水冲洗；在50mL的丙酮溶液中超声30min，并用去离子水冲洗；在50mL无水乙醇中超声30min，并用去离子水冲洗，重复二次；然后由50mL无机酸液浸泡2-10分钟再放到去离子水中超声30min；最后在体积比为1∶5的高氯酸-无水乙醇溶液中10V的电压下，以金属片为阳极，石墨为阴极，电抛光2-5分钟，超声水洗三次以上，每次5min，制得电极基体，干燥保存；（2）MMO电极前驱体的制备所述MMO电极前驱体是LDH电极和双金属的MOFs电极中的一种；1）电沉积法制备LDH电极按不同摩尔比1∶5；2∶5；1∶3；2∶3；1∶1.25∶1.25；1∶2.5∶2.5；称取两种或三种金属源，分散于50mL水溶液中，搅拌1小时，超声1-2小时，分散均匀作为电解液；再将步骤（1）中预处理的电极基体通过电沉积法，在沉积电位为-1.0V的电压下，沉积时间为1-10h，并用去离子水冲洗，然后用去离子水超声，换水重复三次，80oC烘干，制得二元或三元的LDH电极；2）双金属MOFs电极的制备按不同摩尔比为1∶1∶1；1∶1∶2；称取两种不同的金属源和有机配体，分别溶解于25mL去离子水中，搅拌1小时，超声1-2小时，然后将两者混合搅拌30min；再将步骤（1）中预处理的电极基体作为阳极，对电极为钛片，控制电流密度为0.01A-0.03A/cm2，沉积2h，即在阳极电极基体上沉积有双金属的MOFs薄膜，再用去离子水冲洗，并用50mL去离子水超声30min，换水重复三次，60℃烘干，制得双金属MOFs电极；（3）制备MMO电极将步骤（2）制得LDH电极或双金属的MOFs电极置于管式炉中，设置升温速率为5℃/min，400-600℃煅烧4-8个小时，降温速率为2℃/min，制得MMO电极；（4）制备g-C3N4/MMO光电极将50-350mg的g-C3N4分散于50ml的分散介质溶液中，添加10mg的硝酸镁，将步骤（3）制得的MMO电极和电源负极连接，铂片和电源的正极连接，在150V的电压下，电泳沉积60s-150s，制得g-C3N4薄膜覆盖的g-C3N4/MMO光电极，然后用去离子水冲洗，再用去离子水超声30min，换水重复三次，60℃烘干，制得g-C3N4/MMO光电极；将制得复合g-C3N4/MMO光电极在模拟太阳光照射下，在三电极体系或者两电极体系测试其光电催化性能。进一步地附件技术特征方案如下。一种两步电化学法制备g-C3N4/MMO复合薄膜光电极，其特征在于：所述金属片是Zn、Cr、Co、Fe、Al和Ti中的一种。一种两步电化学法制备g-C3N4/MMO复合薄膜光电极，其特征在于：所述无机酸液是3mol/L草酸、6mol/L硫酸、6mol/L盐酸、体积比为1∶1的30%的H2O2：本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种两步电化学法制备g‑C3N4/MMO复合薄膜光电极，所述电化学法制备g‑C3N4/MMO复合薄膜光电极的方法是按下列步骤进行的：（1）电极基体的预处理将FTO导电玻璃或纯度为99%以上的金属片作为电极基体，用砂纸打磨，在100oC质量分数为3%的草酸溶液浸泡30min，并用去离子水冲洗；在50mL的丙酮溶液中超声30min，并用去离子水冲洗；在50mL无水乙醇中超声30min，并用去离子水冲洗，重复二次；然后由50mL无机酸液浸泡2‑10分钟再放到去离子水中超声30min；最后在体积比为1∶5的高氯酸‑无水乙醇溶液中10V的电压下，以金属片为阳极，石墨为阴极，电抛光2‑5分钟，超声水洗三次以上，每次5min，制得电极基体，干燥保存；（2）MMO电极前驱体的制备所述MMO电极前驱体是LDH电极和双金属的MOFs电极中的一种；1）电沉积法制备LDH电极按不同摩尔比1∶5；2∶5；1∶3；2∶3；1∶1.25∶1.25；1∶2.5∶2.5；称取两种或三种金属源，分散于50mL水溶液中，搅拌1小时，超声1‑2小时，分散均匀作为电解液；再将步骤（1）中预处理的电极基体通过电沉积法，在沉积电位为‑1.0V的电压下，沉积时间为1‑10h，并用去离子水冲洗，然后用去离子水超声，换水重复三次，80oC烘干，制得二元或三元的LDH电极；2）双金属MOFs电极的制备按不同摩尔比为1∶1∶1；1∶1∶2；称取两种不同的金属源和有机配体，分别溶解于25mL去离子水中，搅拌1小时，超声1‑2小时，然后将两者混合搅拌30min；再将步骤（1）中预处理的电极基体作为阳极，对电极为钛片，控制电流密度为0.01A‑0.03A/cm2，沉积2h，即在阳极电极基体上沉积有双金属的MOFs薄膜，再用去离子水冲洗，并用50mL去离子水超声30min，换水重复三次，60℃烘干，制得双金属MOFs电极；（3）制备MMO电极将步骤（2）制得LDH电极或双金属的MOFs电极置于管式炉中，设置升温速率为5℃/min，400‑600℃煅烧4‑8个小时，降温速率为2℃/min，制得MMO电极；（4）制备g‑C3N4/MMO光电极将50‑350mg的g‑C3N4分散于50ml的分散介质溶液中，添加10mg的硝酸镁，将步骤（3）制得的MMO电极和电源负极连接，铂片和电源的正极连接，在150V的电压下，电泳沉积60s‑150s，制得g‑C3N4薄膜覆盖的g‑C3N4/MMO光电极，然后用去离子水冲洗，再用去离子水超声30min，换水重复三次，60℃烘干，制得g‑C3N4/MMO光电极；将制得复合g‑C3N4/MMO光电极在模拟太阳光照射下，在三电极体系或者两电极体系测试其光电催化性能。...
【技术特征摘要】
1.一种两步电化学法制备g-C3N4/MMO复合薄膜光电极，所述电化学法制备g-C3N4/MMO复合薄膜光电极的方法是按下列步骤进行的：（1）电极基体的预处理将FTO导电玻璃或纯度为99%以上的金属片作为电极基体，用砂纸打磨，在100oC质量分数为3%的草酸溶液浸泡30min，并用去离子水冲洗；在50mL的丙酮溶液中超声30min，并用去离子水冲洗；在50mL无水乙醇中超声30min，并用去离子水冲洗，重复二次；然后由50mL无机酸液浸泡2-10分钟再放到去离子水中超声30min；最后在体积比为1∶5的高氯酸-无水乙醇溶液中10V的电压下，以金属片为阳极，石墨为阴极，电抛光2-5分钟，超声水洗三次以上，每次5min，制得电极基体，干燥保存；（2）MMO电极前驱体的制备所述MMO电极前驱体是LDH电极和双金属的MOFs电极中的一种；1）电沉积法制备LDH电极按不同摩尔比1∶5；2∶5；1∶3；2∶3；1∶1.25∶1.25；1∶2.5∶2.5；称取两种或三种金属源，分散于50mL水溶液中，搅拌1小时，超声1-2小时，分散均匀作为电解液；再将步骤（1）中预处理的电极基体通过电沉积法，在沉积电位为-1.0V的电压下，沉积时间为1-10h，并用去离子水冲洗，然后用去离子水超声，换水重复三次，80oC烘干，制得二元或三元的LDH电极；2）双金属MOFs电极的制备按不同摩尔比为1∶1∶1；1∶1∶2；称取两种不同的金属源和有机配体，分别溶解于25mL去离子水中，搅拌1小时，超声1-2小时，然后将两者混合搅拌30min；再将步骤（1）中预处理的电极基体作为阳极，对电极为钛片，控制电流密度为0.01A-0.03A/cm2，沉积2h，即在阳极电极基体上沉积有双金属的MOFs薄膜，再用去离子水冲洗，并用50mL去离子水超声30min，换水重复三次，60℃烘干，制得双金属MOFs电极；（3）制备MMO电极将步骤（2）制得LDH电极或双金属的MOFs电极置于管式炉中，设置升温速率为5℃/min，400-600℃煅烧4-8个小时，降温速率为2℃/min，制得MMO电极；（4）制备g-C3N4/MMO光电极将50-350mg的g-C3N4分散于50ml的分散介质溶液中，添加10mg的硝酸镁，将步骤（3）制得的MMO电极和电源负极连接，铂片和电源的...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁镇海，杨慧敏，曹乐乐，董黛，宋春丽，苗奇俊，崔佳宝，李敏，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14
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