一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜、制备方法及应用，包括以下步骤：将半导体氧化物或金属材料分散在液相媒介中，得到混合液；在超声辅助下，将混合液置于激光束下辐照，得到无配体量子点胶体溶液；将无配体量子点胶体溶液与铋酸铜前驱体溶液混合、制膜、烧结，获得镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜。本发明专利技术通过液相脉冲辐照技术将无配体量子点均匀镶嵌在铋酸铜薄膜中，使铋酸铜薄膜的载流子分离效率显著提高，对该薄膜光电流密度进行测试，结果表明，相对于未镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜来说，光电流密度从2.0mA/cm

A Copper Bismuth Film Embedded with Ligand-free Quantum Dots, Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜、制备方法及应用
本专利技术涉及光电催化
，具体涉及一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜、制备方法及应用。
技术介绍
氢能是一种高效清洁的能源，是实现人类社会可持续发展的重要能源之一。光电化学(PEC)水解制氢是一种低成本的制氢方式，这项技术的关键在于寻找廉价稳定的光电阴极材料。铋酸铜(CuBi2O4)又称铋铜矿，是一种天然矿物，廉价易得并且化学性质稳定。近年来，CuBi2O4由于其足够窄的直接带隙(1.5-1.8eV)，合适的带边缘位置(>+1Vvs.RHE)和低成本等多种优点，被认为是PEC水分解的理想材料之一。在AM1.5G的模拟光下，CuBi2O4的理论光流密度为19.7-29mA/cm2，然而实验的光电流密度远远低于此理论值。主要是由于CuBi2O4较低的载流子迁移率(1.2×10-3cm2V-1s-1)导致光生电子和空穴在体相复合比较严重。开发一种有效的策略提高载流子在CuBi2O4光电极中的体相传输成为提高CuBi2O4光阴极性能的关键问题。目前主要通过纳米结构设计、构筑异质结和元素掺杂等方法提高CuBi2O4光阴极的载流子分离效率。纳米结构设计的设计可以减少载流子的扩散距离同时提高光吸收效率，然而这种方法使得光电极的制备工艺比较复杂，不能从根本上解决载流子传输这一问题。异质结是也一种提高载流子分离效率的策略，通过与CuO组成异质结可以提高载流子的分离效率，然而光电流密度仍然远远低于理论值。掺杂也是提高载流子传输的常见方法，比如W/Mo掺杂可以显著提高BiVO4的光电性能，然而对于CuBi2O4薄膜目前还缺乏有效的掺杂策略。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述
技术介绍
中的不足，提供一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜、制备方法及应用，主要通过液相脉冲辐照技术将无配体量子点镶嵌于CuBi2O4薄膜中，获得镶嵌无配体量子点的CuBi2O4薄膜，该方法操作简单，普适性强，可以显著提高CuBi2O4薄膜的载流子分离效率和光电性能。本专利技术的第一个目的是提供一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜，包括纳米多孔的铋酸铜薄膜，以及镶嵌在所述铋酸铜薄膜中的无配体量子点，所述无配体量子点均匀地镶嵌在所述铋酸铜薄膜中，且所述无配体量子点在所述镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜中的质量分数为0.1-5.0％；其中，所述无配体量子点由半导体氧化物混合液或金属材料混合液经激光束辐照得到；所述半导体氧化物混合液或金属材料混合液由半导体氧化物或金属材料分散在液相媒介中得到。优选的，所述半导体氧化物为BaTiO3、SrTiO3、TiO2、BiVO4或BiFeO3，所述金属材料为Au或Pt。优选的，所述液相媒介为乙醇、乙二醇和醋酸按照等体积混合而成的混合溶剂。本专利技术的第二个目的是提供一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜的制备方法，包括以下步骤：S1，将半导体氧化物分散在液相媒介中，得到混合液；或者将金属材料分散在液相媒介中，然后置于激光束下辐照，辐照完毕后取出金属材料，得到混合液；S2，在超声辅助下，将S1中混合液置于激光束下辐照，得到无配体量子点胶体溶液，所述无配体量子点胶体溶液浓度为0.1～1mg/mL；S3，将S2得到的无配体量子点胶体溶液与铋酸铜前驱体溶液混合、制膜、烧结，获得镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜；其中，铋酸铜前驱体溶液浓度为0.1～0.5mol/L；无配体量子点胶体溶液与铋酸铜前驱体溶液的体积比为1:1～5。优选的，S1中激光采用非聚焦激光，且所述非聚焦激光的输出波长为1064nm，脉冲频率为10Hz，输出光斑直径约为10mm，激光辐照能量为800mJ/cm2，辐照时间为5min。优选的，S2中激光采用非聚焦激光，且所述非聚焦激光的输出波长为355nm或1064nm，脉冲频率为10Hz或30Hz，输出光斑直径约为6～10mm，激光辐照能量为50～800mJ/cm2，辐照时间为5～30min。本专利技术的第三个目的是提供上述镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜在光电催化中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术采用液相脉冲激光辐照技术获得较难合成的尺寸小于10nm的无配体量子点，再采用金属有机物分解法制备镶嵌无配体量子点的钒酸铋薄膜，具体是在前驱体制备步骤中直接将无配体量子点胶体溶液引入钒酸铋薄膜前驱体溶液后进行旋涂、烧结，整个制备过程方法简单、条件温和。2)本专利技术通过向CuBi2O4光电阴极薄膜中均匀地镶嵌量子点显著地提高了光电极的载流子分离效率，CuBi2O4光电阴极薄膜的光电流密度从2.0mA/cm2提高到了3.0mA/cm2左右，光电性能得到了明显改善。附图说明图1为实施例1中BaTiO3原始颗粒SEM图。图2为实施例1中激光辐照后的BaTiO3纳米晶TEM图。图3为对比例1的CuBi2O4薄膜和实施例1中镶嵌BaTiO3无配体量子点CuBi2O4薄膜的SEM图，其中，图a和图b为对比例1不同角度的CuBi2O4薄膜SEM图，图c和图d为实施例1不同角度的镶嵌BaTiO3无配体量子点CuBi2O4薄膜的SEM图。图4为实施例1中镶嵌BaTiO3量子点CuBi2O4薄膜的TEM图，其中，图a和图b为镶嵌BaTiO3量子点CuBi2O4薄膜不同放大倍数下的TEM图。图5为对比例1的CuBi2O薄膜和实施例1中镶嵌BaTiO3无配体量子点CuBi2O4薄膜的光电流密度曲线图。图6为对比例1的CuBi2O4薄膜和实施例1中镶嵌BaTiO3无配体量子点CuBi2O4薄膜的光电转化效率曲线图。图7为实施例2中SrTiO3原始颗粒SEM图。图8为实施例2中激光辐照后的SrTiO3纳米晶TEM图。图9为对比例1CuBi2O4薄膜和实施例2中镶嵌SrTiO3无配体量子点CuBi2O4薄膜的光电流密度曲线图。图10为实施例3中激光辐照后Au纳米晶TEM图。图11为对比例1CuBi2O4薄膜和实施例3中镶嵌Au无配体量子点CuBi2O4薄膜的光电流密度曲线图。具体实施方式为了使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。各实施例中超声功率范围为300W，频率为40kHz，下述各实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。实施例1一种镶嵌BaTiO3无配体量子点的铋酸铜薄膜，包括纳米多孔的铋酸铜薄膜以及镶嵌在所述铋酸铜薄膜中的BaTiO3无配体量子点，且BaTiO3无配体量子点在镶嵌BaTiO3无配体量子点的铋酸铜薄膜中的质量分数为5.0％。具体制备方法包括以下步骤：S1，将Cu(NO3)2·3H2O和Bi(NO3)3·5H2O以1:2的摩尔比溶于由乙醇、乙二醇和醋酸按照等体积混合的溶剂中，混合均匀后，加入嵌段共聚物F108混合均匀，得到0.1mol/ml的CuBi2O4前驱体溶液；其中，CuBi2O4前驱体溶液中嵌段共聚物F108的浓度为0.1mg/ml；F108的加入一方面可以提高溶液粘度便于成膜，另一方面作为模板形成纳米多孔的薄膜；S2，将10mg的BaTiO3颗粒分散在10ml由乙醇、乙二醇和醋酸按照等体积混合的溶剂中，得到混合液；S3，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜，其特征在于，包括纳米多孔的铋酸铜薄膜，以及镶嵌在所述铋酸铜薄膜中的无配体量子点，且所述无配体量子点在所述镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜中的质量分数为0.1‑5.0％；其中，所述无配体量子点由半导体氧化物混合液或金属材料混合液经激光束辐照得到；所述半导体氧化物混合液或金属材料混合液由半导体氧化物或金属材料分散在液相媒介中得到。

【技术特征摘要】
1.一种镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜，其特征在于，包括纳米多孔的铋酸铜薄膜，以及镶嵌在所述铋酸铜薄膜中的无配体量子点，且所述无配体量子点在所述镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜中的质量分数为0.1-5.0％；其中，所述无配体量子点由半导体氧化物混合液或金属材料混合液经激光束辐照得到；所述半导体氧化物混合液或金属材料混合液由半导体氧化物或金属材料分散在液相媒介中得到。2.根据权利要求1所述的镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜，其特征在于，所述半导体氧化物为BaTiO3、SrTiO3、TiO2、BiVO4或BiFeO3，所述金属材料为Au或Pt。3.根据权利要求1所述的镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜，其特征在于，所述液相媒介为乙醇、乙二醇和醋酸按照等体积混合而成的混合溶剂。4.一种权利要求1所述的镶嵌无配体量子点的铋酸铜薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将半导体氧化物分散在液相媒介中，得到混合液；或者将金属材料分散在液相媒介中，然后置于激光束下辐照，辐照完毕后取出金属材料，得到混合液...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪强，徐有勋，简洁，叶谦，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61