一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种α/γ‑三氧化二铁薄膜电极及其制备方法和应用，属于光催化材料技术领域，包括：将前驱体溶液倒在基体表面进行第一次水热煅烧得到α‑三氧化二铁薄膜电极；再进行第二次水热煅烧得到α/γ‑三氧化二铁薄膜电极。本发明专利技术通过一次水热煅烧制备第一层α‑三氧化二铁薄膜，再进行二次水热煅烧制备第二层α‑三氧化二铁薄膜，同时第一层薄膜中的α‑三氧化二铁转化成γ‑三氧化二铁，新生成的α‑三氧化二铁薄膜覆盖在γ‑三氧化二铁表面，得到α/γ‑三氧化二铁薄膜电极，充分提高光阳极的光电催化活性，制备的α/γ‑三氧化二铁薄膜电极的光电流为≥0.5mA/cm

【技术实现步骤摘要】
一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极及其制备方法和应用
本专利技术涉及光催化材料
，尤其涉及一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极及其制备方法和应用。
技术介绍
随着经济的发展以及能源的消耗，利用取之不尽用之不竭的太阳能成为解决化石燃料不可再生的有效方法。目前对太阳能的利用方式主要分为三种：光热转换、光电转换和光化学转换。光热转换即将太阳能转换为热，产生的热除了可以被直接利用外(如太阳能热水器)，还可以被间接利用来驱动某些吸热反应的进行。如利用太阳能转换的热来驱动CO和H2反应生成燃料，这一技术已经在美国和摩洛哥等国家实现了大规模应用。而光电转换是将太阳能转换为电能，1883年美国科学家CharlesFritts首次用锗半导体实现了太阳能向电能的转换，虽然光电转换效率仅为1％，但也为太阳能转换为电能的实现提供了方法，随后，各种各样的电极材料被发现并用于太阳能电池中。与以上两种太阳能的利用方式相比，光化学转化即将太阳能转换为化学能，由于效率和成本等问题，目前仍处于研究阶段。实验室中研究比较多的太阳能转换为化学能的方式包括利用太阳能分解水产氢、利用太阳能还原CO2、利用太阳能降解有机污染物和利用太阳能合成氨等。其中利用太阳能分解水产氢倍受人们关注。众所周知，氢能是一种清洁能源，随着化石燃料的不断消耗，利用太阳能产氢成为解决能源短缺最具前景的手段。由于光解水氧化需要四电子，光解水产氧便成为光解水整体效率的的速控步骤，因此构筑高效的光阳极材料是提高光解水整体效率的关键。理想的光阳极应当具有三个条件：(1)电极本身有优良的导电性；(2)电极对电解液的氧化反应有比较高的催化活性；(3)电极在电解液中能够稳定存在。单一组分的光阳极不能很好的满足这三个要求，故复合光阳极的探究与开发成为当今研究的热点。众所周知，复合光阳极可以结合两种材料的独特优势，降低单一半导体的体相复合，促进界面电荷的有效传输，从而实现1+1>2的理想效果。比如：复合异质结光阳极Co3O4/Ti:Fe2O3的构筑，既能够降低Fe2O3的体相复合，又能够使空穴快速迁移到Co3O4表面参与水的氧化反应。因此构筑复合光阳极是提升光解水性能的有效途径。然而对于异质结而言，由于两侧不同材料的晶格失配，容易导致界面电荷的传输不够通畅，从而不能达到最佳效果。因此，构筑Fe2O3同质结就成为解决界面传输问题的杀手锏，而Fe2O3的不同形式表现出不同的光催化活性。比如文献中报道的关于α/βFe2O3以及金红石/锐钛矿TiO2的研究，都表现出优异的光催化性能。因此，构筑包含不同晶相的α/γ-Fe2O3是促进Fe2O3电荷快速传输的有效途径。然而目前的研究对于复合电极材料的非原位制备上存在不足，容易造成Fe2O3与FTO基底之间，以及Fe2O3不同晶相间的接触不够致密，从而影响了复合电极材料的光催化活性，无法达到预期的效果。因此，需要提供一种能够提高α/γ-Fe2O3薄膜催化活性的制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极及其制备方法和应用，本专利技术提供的制备方法制备的α/γ-三氧化二铁薄膜电极作为光阳极在1.23Vvs.RHE电位下具有较高的催化活性。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：(1)将前驱体溶液倒在基体表面，进行第一次水热反应后进行第一次煅烧处理，得到α-三氧化二铁薄膜电极；(2)将前驱体溶液倒在所述步骤(1)得到的α-三氧化二铁薄膜电极表面，进行第二次水热反应后进行第二次煅烧处理，得到α/γ-三氧化二铁薄膜电极；所述步骤(1)和步骤(2)中的前驱体溶液由氯化铁和硝酸钠的混合水溶液与四氯化钛的乙醇溶液混合而成。优选地，制备所述步骤(1)和步骤(2)中前驱体溶液所用的混合水溶液中氯化铁的浓度独立的为0.0187～0.075mol/L，硝酸钠的浓度独立的为0.125～0.5mol/L。优选地，制备所述步骤(1)和步骤(2)中前驱体溶液所用的乙醇溶液中四氯化钛的体积百分比独立的为0.5～1.5％。优选地，制备所述步骤(1)和步骤(2)中前驱体溶液所用的混合水溶液与乙醇溶液的体积比独立的为100000：(75～175)。优选地，所述步骤(1)中第一次水热反应的温度为80～120℃，第一次水热反应的时间为10～15h。优选地，所述步骤(1)中第一次煅烧处理的温度为500～600℃，第一次煅烧处理的时间为1～4h。优选地，所述步骤(2)中第二次水热反应的温度为80～120℃，第二次水热反应的时间为10～15h。优选地，所述步骤(2)中第二次煅烧处理的温度为500～600℃，第二次煅烧处理的时间为1～4h。本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的α/γ-三氧化二铁薄膜电极，包括基体、附着于所述基体表面的γ-三氧化二铁薄膜和覆盖在所述γ-三氧化二铁薄膜表面的α-三氧化二铁薄膜，所述α-三氧化二铁薄膜和γ-三氧化二铁薄膜中均掺杂有Ti4+。本专利技术还提供了上述技术方案所述α/γ-三氧化二铁薄膜电极作为光阳极在光电化学分解水中的应用。本专利技术提供了一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：(1)将前驱体溶液倒在基体表面，进行第一次水热反应后进行第一次煅烧处理，得到α-三氧化二铁薄膜电极；(2)将前驱体溶液倒在所述步骤(1)得到的α-三氧化二铁薄膜电极表面，进行第二次水热反应后进行第二次煅烧处理，得到α/γ-三氧化二铁薄膜电极；所述步骤(1)和步骤(2)中的前驱体溶液由氯化铁和硝酸钠的混合水溶液与四氯化钛的乙醇溶液混合而成。本专利技术通过二步水热煅烧法制备α/γ-Fe2O3薄膜电极，先通过一次水热煅烧处理制备第一层α-Fe2O3薄膜，然后在第一层α-Fe2O3薄膜的表面进行二次水热煅烧制备第二层α-Fe2O3薄膜，同时第一层薄膜中的α-Fe2O3在煅烧过程中逐渐转化成γ-Fe2O3，形成γ-Fe2O3薄膜，新生成的α-Fe2O3薄膜会覆盖在生成的γ-Fe2O3表面，从而得到α/γ-Fe2O3薄膜电极，提高了Fe2O3与基体之间，以及Fe2O3不同晶相间的接触性能；制备工艺简单，易于操作，极大程度降低生产成本，能充分提高光阳极的光电催化活性，使光电转化效率提高，适用于氧化类的光催化电极材料。实施例的结果显示，采用本专利技术的制备方法制备的α/γ-Fe2O3薄膜电极作为光阳极在1.23Vvs.RHE电位下的光电流为≥0.5mA/cm2。附图说明图1为本专利技术提供的α/γ-三氧化二铁薄膜电极的结构示意图；图2为本专利技术实施例2制备的α-三氧化二铁薄膜和α/γ-三氧化二铁薄膜的XRD图；图3为本专利技术实施例1～3和对比例1制备的薄膜电极的光电流密度-电压(J-V)曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：(1)将前驱体溶液倒在基体表面，进行第一次水热反应后进行第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：/n(1)将前驱体溶液倒在基体表面，进行第一次水热反应后进行第一次煅烧处理，得到α-三氧化二铁薄膜电极；/n(2)将前驱体溶液倒在所述步骤(1)得到的α-三氧化二铁薄膜电极表面，进行第二次水热反应后进行第二次煅烧处理，得到α/γ-三氧化二铁薄膜电极；/n所述步骤(1)和步骤(2)中的前驱体溶液由氯化铁和硝酸钠的混合水溶液与四氯化钛的乙醇溶液混合而成。/n

【技术特征摘要】
1.一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)将前驱体溶液倒在基体表面，进行第一次水热反应后进行第一次煅烧处理，得到α-三氧化二铁薄膜电极；
(2)将前驱体溶液倒在所述步骤(1)得到的α-三氧化二铁薄膜电极表面，进行第二次水热反应后进行第二次煅烧处理，得到α/γ-三氧化二铁薄膜电极；
所述步骤(1)和步骤(2)中的前驱体溶液由氯化铁和硝酸钠的混合水溶液与四氯化钛的乙醇溶液混合而成。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备所述步骤(1)和步骤(2)中前驱体溶液所用的混合水溶液中氯化铁的浓度独立的为0.0187～0.075mol/L，硝酸钠的浓度独立的为0.125～0.5mol/L。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备所述步骤(1)和步骤(2)中前驱体溶液所用的乙醇溶液中四氯化钛的体积百分比独立的为0.5～1.5％。


4.根据权利要求1～3任意一项所述的制备方法，其特征在于，制备所述步骤(1)和步骤(2)中前驱体溶液所用的混合水溶液与乙醇溶液的体积比独立的为100000：(75...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢腾峰，李银银，王德军，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22