一种钼修饰氧化铁光电极的制备方法及表面改性方法技术

本发明专利技术提供了一种钼修饰氧化铁光电极的制备方法及表面改性方法。该制备方法包括如下步骤：将FTO导电玻璃以导电面朝上的方式置入反应釜，并向所述反应釜中加入含钼元素的前驱体溶液；将所述反应釜在80‑180℃下加热4‑7h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将所述FTO导电玻璃倾斜地置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，并将所述反应釜在60‑100℃下加热2‑5h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将所述FTO导电玻璃在500‑600℃下退火1‑3h，再在700‑800℃下退火10‑30min，从而在所述FTO导电玻璃上生长钼修饰氧化铁光电极。上述制备方法以及改性方法极大地提高了Fe2O3光电极的光电流密度、降低了起始电压，从而极大地提升了光电极的光电催化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种钼修饰氧化铁光电极的制备方法及表面改性方法
本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种钼修饰氧化铁光电极的制备方法及表面改性方法。
技术介绍
近几十年来，随着煤、石油、天然气等化石能源的日渐枯竭和与之伴随的环境污染问题的日益严峻，人类社会的可持续发展受到了严重的威胁，开发清洁的可再生能源已经迫在眉睫。作为清洁能源中的一种，氢能因其具有高燃烧值、高效率和环境友好的特点而被人们认为是解决能源危机和环境问题的最理想替代能源之一。然而，目前氢气的大规模获取主要来自于煤、石油与天然气的重整，这种产氢方式虽然工艺成熟但成本高昂、污染环境，因而寻求绿色、经济、环保的产氢方法势在必行。与此同时，因为具有清洁无污染、分布广泛、取之不尽和用之不竭的优点，太阳能越来越受到人们的重视并开始在现有的能源结构中扮演重要的角色。因此，以半导体纳米材料为催化剂，以太阳能为能量来源的光电催化分解水产氢技术将是未来人类大规模获取氢能的最佳途径之一。在众多的半导体光催化材料中，α相三氧化二铁(α-Fe2O3)纳米材料的禁带宽度窄(2.0-2.2eV)，对太阳光中的紫外光和可见光均具有良好的光电化学响应，而且纳米α-Fe2O3还具有光电催化性能稳定、来源丰富、对环境友好和价格低廉的优点。理论研究表明纳米α-Fe2O3光电极的最大光生电流密度可达12.6mA/cm2，相应的太阳能-氢能的转换效率可达15.5％。因此，α-Fe2O3纳米材料作为一种非常有前途的可见光光催化剂，已经成为半导体光电催化分解水产氢领域的研究热点之一。然而，尽管α-Fe2O3半导体材料具有众多独特的优点，但在大气质量为1.5(AM1.5)的模拟太阳光的照射下，现今报道的最高太阳能-化学能的转化效率仍不超过3％，其光电催化分解水的相关研究也尚处于实验室研究阶段。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是要解决现有的太阳能-化学能的转化效率仍不超过3％的技术问题。本专利技术的另一个目的是要解决目前对氧化铁光电极修饰以及改性之前与之后的形貌发生较大变化的技术问题。特别地，本专利技术提供了一种钼修饰氧化铁光电极的制备方法，包括如下步骤：将FTO导电玻璃以导电面朝上的方式置入反应釜，并向所述反应釜中加入含钼元素的前驱体溶液；将所述反应釜在80-180℃下加热4-7h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将所述FTO导电玻璃倾斜地置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，并将所述反应釜在60-100℃下加热2-5h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将所述FTO导电玻璃在500-600℃下退火1-3h，再在700-800℃下退火10-30min，从而在所述FTO导电玻璃上生长钼修饰氧化铁光电极。可选地，所述含钼元素的前驱体溶液为钼的无机盐与盐酸的水溶液。可选地，所述钼的无机盐为钼酸钠、钼酸铵或钼酸钡。可选地，所述铁的无机盐为氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硫酸亚铁和硫酸铁中的一种或多种的组合；所述矿化剂为葡萄糖、硝酸钠和尿素中的一种或多种的组合。特别地，本专利技术还提供了一种钼修饰氧化铁光电极的表面改性方法，包括如下步骤：在一容器中加入硼氢化钠或氨硼烷粉末；将生长有钼修饰氧化铁光电极的FTO导电玻璃以导电面朝下的方式盖在所述容器上；将盖有所述FTO导电玻璃的所述容器在450-600℃下加热10-60min，以在所述FTO导电玻璃上获得氢气处理的钼修饰氧化铁光电极。可选地，所述表面改性方法还包括：以含有铁的无机盐和镍的无机盐作为电解质溶液，采用光辅助的电化学沉积方法，将羟基氧化铁镍负载于氢气处理的钼修饰氧化铁光电极上。可选地，所述以含有铁的无机盐和镍的无机盐作为电解质溶液，采用光辅助的电化学沉积方法包括如下步骤：将氢气处理的钼修饰氧化铁光电极作为工作电极，铂丝电极作为对电极，饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，以含有铁的无机盐和镍的无机盐作为电解质溶液；在AM1.5G模拟太阳光的照射下，对氢气处理的钼修饰氧化铁光电极进行线性伏安扫描，从而制备得到羟基氧化铁镍和氢气共处理的钼修饰氧化铁光电极。可选地，所述铁的无机盐为硝酸铁、氯化铁、磷酸铁、硫酸铁或氯化亚铁；所述镍的无机盐为氯化镍、硝酸镍、硫酸镍或磷酸镍。可选地，所述电解质溶液还包括金属氟化物和氧化剂。可选地，所述金属氟化物为氟化钠、氟化钾、氟化钙、氟化钡、氟化锂中的一种或多种的组合。可选地，所述线性伏安扫描的扫描电压为-0.5-0.5V，扫描速率为0.2V/s。根据本专利技术的方案，专利技术人创新性地研究出两步水热法对FTO导电玻璃进行处理并由此合成了光电性能优异的Mo-Fe2O3光电极，这种方法在现有技术中仍然是空白的，具有独创性。在此基础上，专利技术人偶然尝试硼氢化钠、氨硼烷为氢源通过热处理方式对Mo-Fe2O3光电极进行氢气处理，意外地发现其可以降低起始电压，并有效地改善了Mo-Fe2O3光电极的光电催化性能，可以进一步地提高光电流密度。然而，专利技术人并未止步于由此获得的已经很高的光电流密度以及低的起始电压，专利技术人仍然继续研发，经过多次尝试并验证，发现通过在H2-treatedMo-Fe2O3的基础上继续沉积羟基氧化铁镍助催化剂，则会进一步降低起始电压，并进一步提高光电极的光电催化性能，最终获得非常高的光电催化性能。经过氢气处理与钼修饰结合的修饰方法可以获得优异的光电性能的纳米氧化铁是首次研究报道。另外，将羟基氧化铁镍助催化剂、氢气处理与钼修饰结合的修饰方法可以获得意想不到的高的光电催化性能也同样具有独创性。此外，通过预处理FTO导电玻璃制备改性的纳米氧化铁是一种过程简单，易于条件控制，且为其他元素掺杂修饰提供了一条可行的研究方法。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是根据本专利技术一个实施例的钼修饰氧化铁光电极的制备方法的示意性流程图；图2是在100μL盐酸下不同的钼酸钠用量所制备出的纳米Mo-Fe2O3光电极的光电流密度-电压(J-V)曲线图；图3是在30mg的钼酸钠下不同盐酸用量所制备出的纳米Mo-Fe2O3光电极的J-V曲线图；图4是根据本专利技术一个实施例的Mo-Fe2O3光电极的高分辨透射电子显微镜图；图5是根据本专利技术一个实施例的Mo-Fe2O3光电极的元素分布图；图6是根据本专利技术一个实施例的钼修饰氧化铁光电极的表面改性方法的示意性流程图；图7是根据本专利技术一个实施例的500℃下不同用量的硼氢化钠所获得的H2-treatedMo-Fe2O3的J-V曲线图；图8是根据本专利技术一个实施例的8mM下不同加热温度所获得的H2-treatedMo-Fe2O3的J-V曲线图；图9是根据本专利技术一个实施例的20mg氨硼烷下不同加热时间所获得的H2-treatedMo-Fe2O3的J-V曲线图；图10是根据本专利技术一个实施例的550℃下不同质量的硼氢化钠所获得的H2-treatedMo-Fe2O3的J-V曲线图；图11是根据本专利技术一个实施例的空白氧化铁Fe2O3、钼修饰氧化铁Mo-F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钼修饰氧化铁光电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将FTO导电玻璃以导电面朝上的方式置入反应釜，并向所述反应釜中加入含钼元素的前驱体溶液；将所述反应釜在80‑180℃下加热4‑7h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将所述FTO导电玻璃倾斜地置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，并将所述反应釜在60‑100℃下加热2‑5h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将所述FTO导电玻璃在500‑600℃下退火1‑3h，再在700‑800℃下退火10‑30min，从而在所述FTO导电玻璃上生长钼修饰氧化铁光电极。

【技术特征摘要】
1.一种钼修饰氧化铁光电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将FTO导电玻璃以导电面朝上的方式置入反应釜，并向所述反应釜中加入含钼元素的前驱体溶液；将所述反应釜在80-180℃下加热4-7h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将所述FTO导电玻璃倾斜地置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，并将所述反应釜在60-100℃下加热2-5h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将所述FTO导电玻璃在500-600℃下退火1-3h，再在700-800℃下退火10-30min，从而在所述FTO导电玻璃上生长钼修饰氧化铁光电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含钼元素的前驱体溶液为钼的无机盐与盐酸的水溶液。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钼的无机盐为钼酸钠、钼酸铵或钼酸钡。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述铁的无机盐为氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硫酸亚铁和硫酸铁中的一种或多种的组合；所述矿化剂为葡萄糖、硝酸钠和尿素中的一种或多种的组合。5.一种钼修饰氧化铁光电极的表面改性方法，其特征在于，包括如下步骤：在一容器中加入硼氢化钠或氨硼烷粉末；将生长有由权利要求1-4中任一项所述的制备方法制备获得的钼修饰氧化铁光电极的FTO导电玻璃以导电面朝下的方式盖在所述容器上；将盖有所述FTO导电玻璃的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟俊，魏爱民，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32