一种钒酸铋光阳极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种钒酸铋光阳极及其制备方法与应用，制备方法为：在透明导电基底表面制备依次制备钒酸铋层、碳球层，再重复制备钒酸铋层和碳球层，使得透明导电基底表面形成活性层，活性层由n层钒酸铋层及n

【技术实现步骤摘要】
一种钒酸铋光阳极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于清洁能源和光电化学
，涉及一种钒酸铋光阳极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]在能源危机与环境污染问题日益严重的当下，全球性的自然灾害也随之凸显，因此寻找可再生的清洁能源引起全人类的关注。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的新能源，它的开发与利用近年来广受研究人员的青睐，光电化学技术就是一种有效的太阳能利用方式。利用光电化学分解水技术将太阳能存储为高热值清洁的化学能氢气被认为在解决全球能源危机和环境污染问题方面具有较大的应用潜能。而且光电化学分解水具有较高的理论太阳能到氢气转化效率，且产生的氢气和氧气分别在两个电极便于收集和大规模生产，因此具有独特的产业化优势。
[0004]一个完整的光电化学电解池，是由光阳极和光阴极构成。对于光电化学分解水过程来说，光阴极两电子的水还原速率比光阳极四电子的水氧化速率高四个数量级，因此缓慢的光阳极水氧化反应是整个分解水反应的决速步骤。为了促进反应进程的进行从而提高太阳能的利用率，在热力学条件不变的情况下，提高光阳极水氧化反应的动力学条件是至关重要的。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术光阳极水氧化反应的动力学缓慢的不足，本专利技术的目的是提供一种钒酸铋光阳极及其制备方法与应用，本专利技术提供的钒酸铋光阳极具有较高的电子空穴分离效率和快速的水氧化动力学，使其能在较低的偏压下达到较高的光电流密度，表现出了较高的太阳能利用率，在未来解决能源危机和环境污染问题方面具有较大潜能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一方面，一种钒酸铋光阳极，包括透明导电基底，所述透明导电基底表面设置活性层，所述活性层由n层钒酸铋层及n-1层碳球层交错叠放形成，所述活性层的两侧最外层均为钒酸铋层，所述n为大于1的自然数；所述钒酸铋层和碳球层均有若干纳米孔。
[0008]本专利技术采用钒酸铋(BiVO4、BVO)作为光阳极主体材料，能够吸收可见光，带隙为2.4eV，同时具有合适的水氧化能带位置。BVO还具有较高的理论光电转化效率9.3％对应产生的最大理论光电流密度为7.5mA cm-2
。同时选择碳球作为电子储存库，并将BVO层与碳球层交错设置，因碳球较大的功函数，BVO层的光生电子能够更容易转移到相邻的碳球层上并储存起来，留下光生空穴积累在半导体表面，有助于电子空穴对的有效分离，同时增加光阳极的水氧化反应速率。
[0009]另一方面，一种钒酸铋光阳极的制备方法，在透明导电基底表面依次制备钒酸铋层、碳球层，再重复制备钒酸铋层和碳球层，使得透明导电基底表面形成活性层，所述活性层由n层钒酸铋层及n-1层碳球层交错叠放形成，所述活性层的两侧最外层均为钒酸铋层，所述n为大于1的自然数；
[0010]制备钒酸铋层的过程为：将钒酸铋前驱体溶液旋涂成钒酸铋前驱体膜，再烘干、煅烧形成钒酸铋层；所述钒酸铋前驱体溶液中含有钒盐和铋盐；
[0011]制备碳球层的过程为：将碳球分散液旋涂成碳球膜，再烘干形成碳球膜。
[0012]本专利技术制备的钒酸铋光阳极(C-BVO)能够吸收可见光，能够进行长时间的分解水产氢产氧实验。而且该材料具有组成元素环境友好、制备方法简单可调、反应条件易得、成本低廉易于产业化等优点。在性能方面，本专利技术所制备的C-BVO光阳极，相对于纯BVO的来说，具有较高的电子空穴分离效率和快速的水氧化动力学，使其能在较低的偏压下达到较高的光电流密度，表现出了较高的太阳能利用率，在未来解决能源危机和环境污染问题方面具有较大潜能。
[0013]第三方面，一种上述钒酸铋光阳极在光电催化分解水产氢产氧中的应用。
[0014]第四方面，一种光电化学电解池，包括光阳极和光阴极，所述光阳极为上述钒酸铋光阳极。
[0015]本专利技术的有益效果为：
[0016]1.本专利技术提供的钒酸铋光阳极中BVO层中纳米颗粒由纳米晶粒组成蠕虫状，碳球层中烧结后尺寸大约为10～20nm。两种层状结构并不致密，颗粒之间存在着很多纳米孔，是一种纳米多孔的光阳极，这种形貌有利于增加与电解质的接触从而增加反应位点和提高光电化学活性。在模拟太阳光AM 1.5G(100mW/cm2)的照射下，纯的BVO光阳极在外加偏压1V vs RHE时的光电流密度为0.34mA/cm2，甚至在理论氧化水电压1.23V vs RHE，光电流密度也仅有0.6mA/cm2。而C-BVO光阳极，在外加偏压1V vs RHE时可以产生超过2.2mA/cm2的光电流密度，实现了光电流密度近6.5倍的增加。而与此同时，分离效率和注入效率也得到了较大幅度提高，尤其注入效率在较低的偏压0.8V vs RHE时，从18％提高到82％，证明本专利技术提供的钒酸铋光阳极具有快速水氧化动力学性能。
[0017]2.本专利技术提供的钒酸铋光阳极具有制备方法简单可调、反应条件易得、成本低廉易于产业化、环境友好无污染等优点。本专利技术研究过程中发现，通过控制加入的碳球的含量可以调控BVO光阳极的催化性能，这有利于形成光电性能更优异的光阳极。
[0018]3.本专利技术提供的钒酸铋光阳极在三电极体系中作为工作电极，铂片作为对电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极在外加电压0.9V vs RHE下经过长时间光照，光电流密度没有明显的下降，仍然具有较高的光电流密度，说明本专利技术提供的钒酸铋光阳极具有良好的光化学稳定性，在实际应用方面具有广阔的前景。
附图说明
[0019]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0020]图1为实施例1制备的碳球和C-BVO
’
光阳极表面碳球的扫描电镜(SEM)图，(a)为碳球，(b)为C-BVO
’
光阳极；
[0021]图2为实施例1制备的BVO和C-BVO光阳极的XRD图谱以及表面和截面SEM图像，(a)为XRD图谱，(b)为BVO的SEM图，(c)为C-BVO的SEM图；
[0022]图3为实施例1制备的BVO和C-BVO光阳极的光电流密度-电压(LSV)、分离效率-电压(η
bulk
)、注入效率-电压(η
injection
)和应用偏压光电转换效率-电压(ABPE)的关系图谱，(a)为光电流密度-电压，(b)为分离效率-电压，(c)为注入效率-电压，(d)为应用偏压光电转换效率-电压；
[0023]图4为实施例2制备的不同碳球含量的C-BVO光阳极的漫反射吸收光谱和LSV图谱，(a)为漫反射吸收光谱，(b)为LSV图谱；
[0024]图5为实施例1制备的BVO和C-BVO光阳极在有无NaVO3存在的缓冲溶液中的LSV和光电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钒酸铋光阳极，其特征是，包括透明导电基底，所述透明导电基底表面设置活性层，所述活性层由n层钒酸铋层及n-1层碳球层交错叠放形成，所述活性层的两侧最外层均为钒酸铋层，所述n为大于1的自然数；所述钒酸铋层和碳球层均有若干纳米孔。2.如权利要求1所述的钒酸铋光阳极，其特征是，钒酸铋层的厚度为250～350nm；或，碳球层中碳球尺寸为10～20nm。3.一种钒酸铋光阳极的制备方法，其特征是，在透明导电基底表面制备依次制备钒酸铋层、碳球层，再重复制备钒酸铋层和碳球层，使得透明导电基底表面形成活性层，所述活性层由n层钒酸铋层及n-1层碳球层交错叠放形成，所述活性层的两侧最外层均为钒酸铋层，所述n为大于1的自然数；制备钒酸铋层的过程为：将钒酸铋前驱体溶液旋涂成钒酸铋前驱体膜，再烘干、煅烧形成钒酸铋层；所述钒酸铋前驱体溶液中含有钒盐和铋盐；制备碳球层的过程为：将碳球分散液旋涂成碳球膜，再烘干形成碳球膜。4.如权利要求3所述的钒酸铋光阳极的制备方法，其特征是，煅烧温度为390～410℃，煅烧温度为25～35min；或，烘干温度为140～16...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓阳，王敏瑞，王泽岩，黄柏标，程合锋，郑昭科，王朋，刘媛媛，张倩倩，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：