一种氧化铁/羟基氧化钴复合光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氧化铁/羟基氧化钴复合光电极及其制备方法和应用，属于功能材料技术领域。本发明专利技术的制备方法包括以下步骤：将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液；将基底浸没于混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β‑FeOOH的基底；将负载有β‑FeOOH的基底在300～500℃条件下进行煅烧，得到负载有α‑Fe

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极及其制备方法和应用
本专利技术涉及功能材料
，尤其涉及一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极及其制备方法和应用。
技术介绍
太阳能是一种清洁和可再生的自然资源，其中，光电化学水分解产氢提供了将太阳能转换为化学能的可持续途径。然而，由于弱的光吸收、快速的电荷复合和缓慢的界面电荷转移，大多数半导体光电极的太阳能转化为化学能的效率仍不高。例如，广泛使用的TiO2光电阳极只能吸收仅占总太阳光谱4％的紫外线。另外，电子-空穴复合发生在飞秒到纳秒的时间尺度上，而界面氧析出反应发生在微秒到秒的数量级，且氧析出反应涉及四个电子和四个质子的转移。因此，半导体光电催化水分解产氢的效率依然较低。为了提高太阳能到化学能的转换效率，需要开发具有宽光谱吸收、高化学稳定性以及高析氧反应活性的光电极材料。α-Fe2O3又称赤铁矿，是目前最具应用潜力的光阳极材料之一，其带隙在1.9～2.2eV范围，理论上太阳光转换为氢能的效率高达6％，光电流密度甚至可达12mA/cm2；且其储量丰富，在光电化学水分解中具有良好的稳定性、低成本和良好的太阳光谱响应等优势。然而，α-Fe2O3自身也存在一些缺陷，例如电荷传输差、表面复合严重、电荷转移动力学缓慢，极大地限制了其实际应用。为了提升其活性，人们尝试了多种制备方法，其中在FTO导电玻璃基底上采用水热法制备α-Fe2O3纳米棒是目前应用最为广泛的制备方法。但是，采用该方法制备的α-Fe2O3基本上都需要在750℃及以上的高温条件下煅烧，否则制备出的α-Fe2O3在光照下不产生光电流(可能是因为结晶性差，载流子易复合，导致表面反应无法发生)。很明显，该方法制备过程能耗高，不利于实际推广应用。因此，如何降低α-Fe2O3制备过程的煅烧温度，同时使低温煅烧下的α-Fe2O3具有光电催化水分解活性，是目前亟待解决的一个关键难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极及其制备方法和应用，本专利技术在低温条件下焙烧制备得到α-Fe2O3，能耗低，通过引入CoOOH可以激活惰性的α-Fe2O3，使其具有较好的光电催化水分解活性。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氧化铁/羟基氧化钴复合光电极的制备方法，包括以下步骤：将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液；将基底浸没于所述混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β-FeOOH的基底；将所述负载有β-FeOOH的基底在300～500℃条件下进行煅烧，得到负载有α-Fe2O3的基底；将可溶性钴盐溶液滴涂在所述负载有α-Fe2O3的基底的表面，干燥后浸没于碱性溶液中进行第二沉淀反应，得到氧化铁/羟基氧化钴复合光电极。优选地，所述混合反应液中可溶性铁盐和尿素的浓度独立地为0.1～1mol/L。优选地，所述第一沉淀反应的温度为95～105℃，时间为2～6h。优选地，所述煅烧的时间为1～6h。优选地，所述可溶性钴盐溶液的浓度为0.8～1.2mol/L，所述可溶性钴盐溶液的滴涂量为4～50μL/cm2。优选地，所述碱性溶液包括氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液，所述碱性溶液的浓度为0.8～1.2mol/L。优选地，所述第二沉淀反应的温度为15～35℃，时间为5～20min。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氧化铁/羟基氧化钴复合光电极，包括基底和负载所述在基底表面的氧化铁/羟基氧化钴复合材料，所述氧化铁/羟基氧化钴复合材料包括α-Fe2O3纳米棒和包覆在所述α-Fe2O3纳米棒表面的CoOOH层。优选地，所述α-Fe2O3纳米棒的直径为20～40nm，长度为60～150nm；所述CoOOH层的厚度为1～50nm。本专利技术提供了上述技术方案所述氧化铁/羟基氧化钴复合光电极在光电催化水分解领域中的应用。本专利技术提供了一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极的制备方法，包括以下步骤：将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液；将基底浸没于所述混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β-FeOOH的基底；将所述负载有β-FeOOH的基底在300～500℃条件下进行煅烧，得到负载有α-Fe2O3的基底；将可溶性钴盐溶液滴涂在所述负载有α-Fe2O3的基底的表面，干燥后浸没于碱性溶液中进行第二沉淀反应，得到氧化铁/羟基氧化钴复合光电极。本专利技术在低温条件下焙烧制备得到α-Fe2O3，能耗低，通过引入CoOOH可以激活惰性的α-Fe2O3，使其具有较好的光电催化水分解活性，且稳定性好，能够在电解质溶液中持续运行，有效增加了使用寿命。附图说明图1为实施例1制备的α-Fe2O3光电极和α-Fe2O3/CoOOH复合光电极的XRD图；图2为实施例2制备的α-Fe2O3光电极和α-Fe2O3/CoOOH复合电极的扫描电镜图；图3为实施例3制备的α-Fe2O3光电极和α-Fe2O3/CoOOH复合光电极在暗态和光照条件下的线性扫描伏安曲线图；图4为实施例4制备的α-Fe2O3/CoOOH复合光电极在模拟太阳光和0.23V偏压下的电流-时间曲线图；图5为实施例1制备的α-Fe2O3光电极和α-Fe2O3/CoOOH复合光电极以及对比例1制备的α-Fe2O3光电极在模拟太光光照射下的电流-电位曲线图。具体实施方式本专利技术提供了一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极的制备方法，包括以下步骤：将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液；将基底浸没于所述混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β-FeOOH的基底；将所述负载有β-FeOOH的基底在300～500℃条件下进行煅烧，得到负载有α-Fe2O3的基底；将可溶性钴盐溶液滴涂在所述负载有α-Fe2O3的基底的表面，干燥后浸没于碱性溶液中进行第二沉淀反应，得到氧化铁/羟基氧化钴复合光电极。本专利技术将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液。在本专利技术中，所述可溶性铁盐优选包括氯化铁、硝酸铁或硫酸铁，更优选为氯化铁；在本专利技术的实施例中，所述可溶性铁盐具体采用FeCl3·6H2O。在本专利技术中，所述混合反应液中可溶性铁盐和尿素的浓度独立地优选为0.1～1mol/L，具体的，所述可溶性铁盐的浓度更优选为0.1～0.15mol/L，所述尿素的浓度更优选为0.15～0.4mol/L。本专利技术对可溶性铁盐、尿素和水混合时的加料顺序以及混合方式没有特殊限定，保证各组分充分混合均匀即可，本专利技术优选将可溶性铁盐加入到尿素的水溶液中，经超声混合，得到混合反应液。得到混合反应液后，本专利技术将基底浸没于所述混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β-FeOOH的基底。本专利技术对所述基底的种类没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的基底即可，具体可以为FTO导电玻璃。在本专利技术中，所述第一沉淀反应的温度优选为95～105℃，更优选为100℃；时间优选为2～6h，具体可以为2h、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极的制备方法，包括以下步骤：/n将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液；/n将基底浸没于所述混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β-FeOOH的基底；/n将所述负载有β-FeOOH的基底在300～500℃条件下进行煅烧，得到负载有α-Fe

【技术特征摘要】
1.一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极的制备方法，包括以下步骤：
将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液；
将基底浸没于所述混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β-FeOOH的基底；
将所述负载有β-FeOOH的基底在300～500℃条件下进行煅烧，得到负载有α-Fe2O3的基底；
将可溶性钴盐溶液滴涂在所述负载有α-Fe2O3的基底的表面，干燥后浸没于碱性溶液中进行第二沉淀反应，得到氧化铁/羟基氧化钴复合光电极。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合反应液中可溶性铁盐和尿素的浓度独立地为0.1～1mol/L。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第一沉淀反应的温度为95～105℃，时间为2～6h。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的时间为1～6h。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性钴盐溶液的浓度为0.8～1.2m...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊贤强，张川群，张晓，褚雨潇，武承林，陈奕飞，周睿，马博华，程高飞，韩得满，
申请(专利权)人：台州学院，台州市生物医化产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33