一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法技术

本发明专利技术涉及材料技术领域，尤其涉及一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法。本发明专利技术采用表面修饰的方法，将少量的黑磷烯负载于钛处理的氧化铁光电极上，一方面黑磷烯与氧化铁相匹配的能级结构十分有利于光生载流子的分离与传输；另一方面，黑磷烯表面所生成的磷氧基团可以有效地桥接黑磷烯与氧化铁纳米颗粒，并使两者的结合更加紧密，从而进一步促进光生载流子的分离与传输。

【技术实现步骤摘要】
一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法
本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法。
技术介绍
自1972年日本东京大学教授Fujishima和Honda发现单晶二氧化钛电极上的光电催化分解水产氢现象以来，以半导体纳米材料作为催化剂的太阳能光电催化分解水制氢技术就成为了全世界最为关注的研究方向之一。太阳能光电催化分解水产氢是一种特殊的多相催化，是指在外加电场和太阳光的共同作用下，半导体光电极(催化剂)实现水的分解的过程。因其具有制氢效率较光催化体系高、成本适中且绿色环保的特点而受到研究者的广泛关注。在众多的光电极材料中，氧化铁被认为是最有前景的一种，这主要得益于其合适的可见光吸收带隙(2.0-2.2eV)、优异的光电化学稳定性、较低的生产成本以及无毒的特点。但同时，氧化铁也存在着一些致命的缺点，如电导率低、空穴扩散距离和寿命短、表面析氧反应动力学速度慢等，使其光电催化分解水的活性受到了严重限制。现阶段，氧化铁光电极的光电催化性能还无法满足实际应用的需求。为了有效地解决上述这些问题，在过去的几十年中，研究人员相继设计开发出了多种行之有效的修饰与改性策略，如形貌调控、元素掺杂、异质结构建和表面处理等。在这之中，钛处理是使用最多且最为有效的一种。因此，在本专利技术中，我们首先选取了具有较高光电催化活性的钛处理氧化铁作为下一步黑磷烯负载的载体，以获取性能更加优异的氧化铁光电极。另一方面，黑磷烯作为一种导电性优异且带隙可调的新型二维材料，近年来其已在光电检测、气体传感、化学催化以及能源存储等方面表现出了巨大的应用潜力。与此同时，得益于黑磷烯优异的析氧反应能力，其在太阳能光电催化分解水制氢领域的应用也受到了非常广泛的关注。目前，黑磷烯/钒酸铋、黑磷烯/二氧化钛等复合光电极都已被成功制备，并表现出了较为优异的光电催化活性。然而，对于氧化铁光电极而言，目前关于黑磷烯对其光电催化行为的研究与报道还很少。因此，有必要对黑磷烯修饰的氧化铁光电极的合成、性能以及工作机理等进行深入的研究与分析。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是要解决现有氧化铁光电极的光电催化分解水制氢性能无法满足实际应用需求的问题。本专利技术的另一个目的在于提供一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法。本专利技术所述方法制备简易、条件易控、成本低廉且无毒、环境友好，为高性能氧化铁电极材料的大规模生产提供可能。为实现上述专利技术目的，主要采用以下技术方案：一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)清洗FTO玻璃。(2)将清洗过的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氧化铁前驱体溶液；将所述反应釜在100℃下加热4h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃。(3)将上述FTO导电玻璃放入乙酰丙酮氧钛(TOPD)溶液中超声后将其放于马弗炉中在550℃下退火2h，再在750℃下退火15min，从而得到钛处理的氧化铁光电极。(4)在钛处理的氧化铁光电极上滴加黑磷烯溶液，并放入真空干燥箱中在150℃下加热20min，从而得到黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极。上述制备方法中：步骤(1)中，所述的清洗FTO玻璃的步骤为：首先使用洗手液或洗洁精将FTO玻璃的表面的污渍清洗干净，然后将其依次放入去离子水、无水乙醇中分别超声清洗15分钟，最后吹干或烘干备用.上述制备方法中：步骤(2)中，所述的氧化铁前驱体溶液的制备方法为：称取2.025克(75mM)FeCl3·6H2O和0.9克(50mM)C6H12O6并将其溶解于100mL去离子水中，磁力搅拌15分钟后得到；水热反应结束待反应釜自然冷却至室温后，需将FTO玻璃从反应釜中取出并用去离子水冲洗干净；上述制备方法中：步骤(3)中，所述的：TOPD溶液浓度为2.5mM，体积为5mL，超声时间为5min；整个退火阶段的升温速率控制在10℃/min；上述制备方法中：步骤(4)中，黑磷烯溶液的滴加量为50μL；所述的黑磷烯溶液的制备方法如下：将500mg红磷，1g的锡粉和100mg的碘封入长度100mm，内径8mm，壁厚1mm真空石英玻璃安瓿瓶中，然后将密封的安瓿瓶以缓慢的加热速率，控制在7小时从室温加热到600℃，然后在600℃保持5-10小时。最后，获得了4毫米大小的块状黑磷单晶，此为块体黑磷。然后将25mg块体黑磷溶于50mL异丙醇溶液中超声8h，再通过9000r/min离心10min得到上清液。本专利技术所述方法，制备得到了光电催化性能更加优异的复合氧化铁光电极。本专利技术有益效果在于：本专利技术采用表面修饰的方法，将少量的黑磷烯负载于钛处理的氧化铁光电极上，一方面黑磷烯与氧化铁相匹配的能级结构十分有利于光生载流子的分离与传输；另一方面，黑磷烯表面所生成的磷氧基团可以有效地桥接黑磷烯与氧化铁纳米颗粒，并使两者的结合更加紧密，从而进一步促进光生载流子的分离与传输。此外，本专利技术中的制备方法十分简易，且具有实验条件温和、工艺简单、能耗低、环境友好的特点。附图说明图1为黑磷烯/氧化铁复合光电极的制备流程图。图2为实施例3中扫描电子显微镜(SEM)图和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图。(a)、(b)采用了扫描电子显微镜(SEM)分别对钛处理氧化铁(Ti-Fe2O3)光电极和负载了黑磷烯的钛处理氧化铁光电极(Ti-Fe2O3/BP)的形貌进行了表征与分析。(c)为利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对Ti-Fe2O3/BP的微观形貌进行的进一步表征与分析。图3为黑磷烯/氧化铁复合光电极的光电流密度-外加偏压(J-V)性能图。(a)为实施例1，例2及例3中复合光电极的光电流密度图；(b)为实施例3中Ti-Fe2O3与Ti-Fe2O3/BP光电极的光电流密度对比图。图4为实施例3中X射线光电子能谱(XPS)图。(a)为Ti-Fe2O3/BP光电极的P2pXPS谱图；(b)为Ti-Fe2O3和Ti-Fe2O3/BP光电极的O1sXPS谱图；(c)为Ti-Fe2O3和Ti-Fe2O3/BP光电极的Fe2pXPS谱图；(d)为Ti-Fe2O3和Ti-Fe2O3/BP光电极的Ti2pXPS谱图。图5为实施例3中光生载流子在表界面及体相处的分离效率图。(a)为表面；(b)为体相。图6为实施例3中能级结构及工作机理的示意图。具体实施方式下述实施例中使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。制备黑磷烯修饰氧化铁光电极：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前驱体溶液(称取2.025克FeCl3·6H2O和0.9克C6H12O6并将其溶解于100mL去离子水中，磁力搅拌15分钟后制得)；将所述反应釜在100℃下加热4h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；将上述FTO导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)清洗FTO玻璃；/n(2)将清洗过的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氧化铁前驱体溶液；将所述反应釜在100℃下加热4h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；/n(3)将上述FTO导电玻璃放入乙酰丙酮氧钛(TOPD)溶液中超声后将其放于马弗炉中在550℃下退火2h，再在750℃下退火15min，从而得到钛处理的氧化铁光电极；/n(4)在钛处理的氧化铁光电极上滴加黑磷烯溶液，并放入真空干燥箱中在150℃下加热20min，从而得到黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)清洗FTO玻璃；
(2)将清洗过的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氧化铁前驱体溶液；将所述反应釜在100℃下加热4h，并待所述反应釜加热完毕冷却后取出所述FTO导电玻璃；
(3)将上述FTO导电玻璃放入乙酰丙酮氧钛(TOPD)溶液中超声后将其放于马弗炉中在550℃下退火2h，再在750℃下退火15min，从而得到钛处理的氧化铁光电极；
(4)在钛处理的氧化铁光电极上滴加黑磷烯溶液，并放入真空干燥箱中在150℃下加热20min，从而得到黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极。


2.如权利要求1所述的一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的清洗FTO玻璃的步骤为：首先使用洗手液或洗洁精将FTO玻璃的表面的污渍清洗干净，然后将其依次放入去离子水、无水乙醇中分别超声清洗15分钟，最后吹干或烘干备用。


3.如权利要求1所述的一种黑磷烯修饰的氧化铁复合光电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的氧化铁前驱体溶液的制备方法为：称取2.025克(75mM)FeCl...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓久军，邵珊，许晖，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32