一种富含表层氧空位的钒酸铋电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于光电化学池半导体电极技术领域，公开了一种富含表层氧空位的钒酸铋电极及其制备方法和应用，该电极包括导电衬底层和钒酸铋层，钒酸铋层由光刻蚀改性得到；先采用金属有机物分解的方法在导电衬底上生长出钒酸铋颗粒，之后将其浸没在含有亚硫酸盐的碱性缓冲溶液中，同时施加一定时间和一定波长及强度的光照，即完成整个电极的制备；该电极可组装成光电化学池用于光电化学池光解水制氢。本发明专利技术在钒酸铋电极表层处引入氧空位，有效地增加固液界面的电荷分离效率，从而提升了光电化学池的光电转化效率，且操作简单，引入氧空位的效率高，同时，由于不需要借助于真空设备，操作成本极低，有利于大规模生产。

Bismuth vanadate electrode rich in surface oxygen vacancy and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种富含表层氧空位的钒酸铋电极及其制备方法和应用
本专利技术属于光电化学池半导体电极
，具体来说，是涉及一种钒酸铋电极及其制备方法和应用。
技术介绍
能源与环境已经成为全球关注的焦点性问题，光电化学池光解水制氢可以将太阳能转化为氢能储存起来1，而氢气作为清洁能源能够有效地缓解环境问题。因此，光电化学池光解水制氢的作用不容忽视2。在光电化学池光解水制氢的研究中，单斜型钒酸铋是目前应用最为广泛的具有可见光响应的半导体阳极材料3-4。但是，钒酸铋的光电流离理论值依然存在很大的差距，主要归因于较差的电荷传输和载流子分离能力5。杂质元素的体相掺杂可以有效地提高钒酸铋的多数载流子浓度，从而提高电荷传输能力，但是这种方式不可避免地会引入新的复合中心6。体相引入氧空位也可以得到相似的效果，但是，体相氧空位的含量不易控制。适当的氧空位含量可以提高钒酸铋的性能，但是过多的氧空位也会成为复合中心7。表层或亚表层的氧空位可以有效地提高半导体阳极的光电性能，同时可以避免体相复合中心的生成8。对于钒酸铋而言，表层氧空位的引入方法极少。因此，引入表层氧空位是目前钒酸铋薄膜电极亟需解决的关键性科学技术难题。(1)Chang,X.X.；Wang,T.；Gong,J.L.,CO2photo-reduction:insightsintoCO2activationandreactiononsurfacesofphotocatalysts.EnergyEnviron.Sci.2016,9(7),2177-2196.(2)Kobayashi,H.；Sato,N.；Orita,M.；Kuang,Y.；Kaneko,H.；Minegishi,T.；Yamada,T.；Domen,K.,DevelopmentofhighlyefficientCuIn0.5Ga0.5Se2-basedphotocathodeandapplicationtooverallsolardrivenwatersplitting.EnergyEnviron.Sci.2018,11(10),3003-3009.(3)Wang,S.；Chen,P.；Bai,Y.；Yun,J.H.；Liu,G.；Wang,L.,NewBiVO4DualPhotoanodeswithEnrichedOxygenVacanciesforEfficientSolar-DrivenWaterSplitting.Adv.Mater.2018,30(20),1800486.(4)Han,H.S.；Shin,S.；Kim,D.H.；Park,I.J.；Kim,J.S.；Huang,P.S.；Lee,J.K.；Cho,I.S.；Zheng,X.L.,BoostingthesolarwateroxidationperformanceofaBiVO4photoanodebycrystallographicorientationcontrol.EnergyEnviron.Sci.2018,11(5),1299-1306.(5)Park,Y.；McDonald,K.J.；Choi,K.S.,Progressinbismuthvanadatephotoanodesforuseinsolarwateroxidation.Chem.Soc.Rev.2013,42(6),2321-37.(6)Luo,W.J.；Li,Z.S.；Yu,T.；Zou,Z.G.,EffectsofSurfaceElectrochemicalPretreatmentonthePhotoelectrochemicalPerformanceofMo-DopedBiVO4.J.Phys.Chem.C2012,116(8),5076-5081.(7)Zhang,J.J.；Chang,X.X.；Li,C.C.；Li,A.；Liu,S.S.；Wang,T.；Gong,J.L.,WO3photoanodeswithcontrollablebulkandsurfaceoxygenvacanciesforphotoelectrochemicalwateroxidation.J.Mater.Chem.A2018,6(8),3350-3354.(8)Li,L.；Yan,J.；Wang,T.；Zhao,Z.；Zhang,J.；Gong,J.；Guan,N.,Sub-10nmrutiletitaniumdioxidenanoparticlesforefficientvisible-light-drivenphotocatalytichydrogenproduction.Nat.Commun.2015,6,5881.
技术实现思路
本专利技术着力于解决在钒酸铋薄膜电极的表层引入氧空位的技术问题，提供了一种富含表层氧空位的钒酸铋电极和制备方法，以及在光催化中的应用，在不借助于特定设备(专门引入氧空位的设备，如等离子体刻蚀机)的情况下，完成钒酸铋表层氧空位的引入，操作简便易行，可控性强，能耗极小，成本极低，可实现大规模生产。为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下的技术方案予以实现：一种富含表层氧空位的钒酸铋电极，该电极包括导电衬底层和钒酸铋层；该电极是在导电衬底上生长出钒酸铋颗粒后得到钒酸铋电极后，再将所述钒酸铋电极浸没在含有亚硫酸盐的碱性缓冲溶液中进行光刻蚀改性得到。进一步地，所述导电衬底层为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。进一步地，所述亚硫酸盐为亚硫酸钾或亚硫酸钠。进一步地，所述亚硫酸盐的浓度为0.05-0.5mol/L。进一步地，所述光刻蚀改性采用波长为200-1000nm、强度为10-100mW/cm2的光源，光照时间为1-30min。一种上述富含表层氧空位的钒酸铋电极的制备方法，将所述钒酸铋电极置于含有0.05-0.5mol/L的亚硫酸盐且pH为9-10的缓冲液中浸没，同时施加波长为200-1000nm、强度为10-100mW/cm2的光照，光照时间为1-30min，即可得到目标产物。进一步地，所述钒酸铋电极采用金属有机物分解法制备而成，具体按照以下步骤进行：(1)将前驱体溶液滴加到预先加热至25-60℃的导电衬底上，再将所述前驱体溶液均匀涂覆在所述导电衬底表面；所述前驱体为硝酸铋和乙酰丙酮氧化钒的混合溶液，溶剂为二甲基亚砜，硝酸铋和乙酰丙酮氧化钒的摩尔浓度相同，均为0.1-1mol/L；(2)将步骤(1)所得样品在空气或氧气氛围下进行高温烧结，然后冷却到室温，得到所述钒酸铋电极。更进一步地，步骤(2)中所述高温烧结的温度为在450-500℃。一种上述富含表层氧空位的钒酸铋电极在光催化中的应用，以所述富含表层氧空位的钒酸铋电极作为工作电极、铂片电极作为对电极、银/氯化银电极为参比电极，组装成光电化学池。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过光刻蚀的方法，成功地将氧空位引入到钒酸铋电极的表层，而富含表层氧空位的钒酸铋薄膜电极具有更本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种富含表层氧空位的钒酸铋电极，其特征在于，该电极包括导电衬底层和钒酸铋层；该电极是在导电衬底上生长出钒酸铋颗粒后得到钒酸铋电极后，再将所述钒酸铋电极浸没在含有亚硫酸盐的碱性缓冲溶液中进行光刻蚀改性得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种富含表层氧空位的钒酸铋电极，其特征在于，该电极包括导电衬底层和钒酸铋层；该电极是在导电衬底上生长出钒酸铋颗粒后得到钒酸铋电极后，再将所述钒酸铋电极浸没在含有亚硫酸盐的碱性缓冲溶液中进行光刻蚀改性得到。


2.根据权利要求1所述的一种富含表层氧空位的钒酸铋电极，其特征在于，所述导电衬底层为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。


3.根据权利要求1所述的一种富含表层氧空位的钒酸铋电极，其特征在于，所述亚硫酸盐为亚硫酸钾或亚硫酸钠。


4.根据权利要求1所述的一种富含表层氧空位的钒酸铋电极，其特征在于，所述亚硫酸盐的浓度为0.05-0.5mol/L。


5.根据权利要求1所述的一种富含表层氧空位的钒酸铋电极，其特征在于，所述光刻蚀改性采用波长为200-1000nm、强度为10-100mW/cm2的光源，光照时间为1-30min。


6.一种如权利要求1-5中任一项所述富含表层氧空位的钒酸铋电极的制备方法，其特征在于，将所述钒酸铋电极置于含有0.05-0.5mol/L的亚硫酸盐且pH为9-10的缓冲液中浸...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩金龙，冯时佳，王拓，刘斌，胡聪玲，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12