一种钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂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/氧化铋铜异质结催化剂及其制备方法与应用，其结构为：导电玻璃与氧化铋铜层之间设置钒酸铋层，钒酸铋层与氧化铋铜层之间形成异质结。其制备方法为：先采用喷雾热解法在导电玻璃表面制备钒酸铋层，然后采用喷雾热解法在钒酸铋层表面制备氧化铋铜层。本发明专利技术提供的钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂能够增大光电转换效率，结构简单、成本低、可重复性好、耗能低，可制备大面积薄膜，适合商业化推广应用。合商业化推广应用。合商业化推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于光电半导体薄膜材料与器件领域，涉及一种钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂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]氢能，由于其无毒化、无碳化、能量密度高，被认为是未来取代化石燃料的理想能源载体。将太阳能转化为氢气具有无法估量的潜在应用价值和推广前景。因此，开发一个高效的“绿色”技术将太阳能转化为氢气，已经成为一项刻不容缓的行动。这一行动不仅符合低碳出行的理念，还可以可再生循环利用和保护环境。
[0004]近年来，采用半导体光电化学分解水将太阳能转化为氢能的方法“绿色制氢”被认为是解决当前能源问题最理想的途径之一，引起了广泛关注。其中，开发稳定、高效的半导体光电催化材料是太阳能制氢技术的关键。光阳极材料一般为N型半导体，在光电催化过程中产生氧气。理想的光阳极材料应具有合适的光学带隙(<2.5eV)，较高的载流子分离效率，合成成本低并且环境友好。在过去几年中，三元金属氧化物钒酸铋(BiVO4)引起了人们的极大兴趣。Kudo等人首次证明了单斜晶相的BiVO4具有很高的可见光活性。它包含四种晶格位点：Bi(4e),V(4e),O1(8f),和O2(8f)，其中，O1配位为一个Bi和V，而O2配位为两个Bi和单个V，导带底(CBM)由V 3d组成，价带顶(VBM)由O 2p组成。BiVO4为直接带隙半导体，它的光学带隙约为2.4～2.5eV，理论光电流密度为7.5mA/cm2，这相当于9％的STH(太阳能制氢)能量转换效率。此外，其导带位置位于质子还原电位附近，这使得BiVO4可以在施加少量的外部偏压下进行水分解反应。然而，作为光阳极材料，它也具有一些局限性。例如，光生空穴在BiVO4材料内部以及表界面迁移速率较低，载流子传输性能较差，电子
‑
空穴复合严重，水氧化动力学缓慢，导致其光电转换效率低下，实际水分解能力远小于理论值，从而限制了其广泛应用。
[0005]因此，若要制备高效光电催化分解水的BiVO4光阳极，必须通过科学的策略来改善这些不良的电导率和缓慢的水氧化特性。据专利技术人研究了解，在过去几年中，为了提高BiVO4的光电转换效率，优化方法包括能带调控、梯度掺杂、催化剂表面改性、材料纳米结构化等。然而，这些方法步骤较为复杂、能耗高，不利于实际应用。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂及其制备方法与应用。本专利技术提供的钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂结构简单，成本低，可重复性好，耗能低，可制备大面积薄膜，适合商业化推广应用。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]一方面，一种钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂，导电玻璃与氧化铋铜层之间设置钒酸铋层，钒酸铋层与氧化铋铜层之间形成异质结。
[0009]本专利技术通过添加氧化铋铜层，使钒酸铋层与氧化铋铜层之间形成BiVO4/CuBi2O4异质结，通过BiVO4/CuBi2O4异质结降低BiVO4载流子复合，增大光电转换效率。
[0010]在导电玻璃上制备BiVO4和CuBi2O4的方法较多，例如电化学沉积、化学气相沉积、喷雾热解、电子束蒸镀、磁控溅射、脉冲激光溅射等。CuBi2O4一般作为光阴极的活性材料，在制膜过程中优先采用电化学沉积或脉冲激光溅射，这是由于CuBi2O4在具体应用过程中稳定性较差，因而采用电化学沉积或脉冲激光溅射能够提高其稳定性，从而提高光电转换的性能。而BiVO4对于方法没有特殊要求，但是经过专利技术人研究发现，脉冲激光溅射制备的BiVO4层的光阳极不利于光电转换效率的提升，这是由于脉冲激光溅射制备的膜层更致密，降低了孔隙结构，从而阻碍了BiVO4层内载流子的传递，因而制备适于光阳极的BiVO4/CuBi2O4异质结催化剂，对于本领域技术人员来说比较困难。
[0011]因而，本专利技术另一方面，一种钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂的制备方法，先采用喷雾热解法在导电玻璃表面制备钒酸铋层，然后采用喷雾热解法在钒酸铋层表面制备氧化铋铜层。
[0012]本专利技术采用喷雾热解法依次制备钒酸铋层和氧化铋铜层，能够使钒酸铋层和氧化铋铜层之间产生更加匹配的界面，配合形成的BiVO4/CuBi2O4异质结降低界面载流子的复合，从而大大增大光电转换效率。
[0013]第三方面，一种上述钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂在作为光电解水制氧中的应用。
[0014]第四方面，一种光电电解水的装置，包括光阳极、光阴极，所述光阳极为上述钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂。
[0015]本专利技术的有益效果为：
[0016]1.本专利技术通过形成BiVO4/CuBi2O4异质结降低BiVO4载流子复合，增大光电转换效率。
[0017]2.本专利技术通过喷雾热解依次沉积BiVO4层和CuBi2O4层，能够配合BiVO4/CuBi2O4异质结降低界面载流子的复合，从而进一步增大光电转换效率。
[0018]3.本专利技术通过喷雾热解制备的BiVO4/CuBi2O4异质结催化剂非常均匀，具有良好的化学稳定性，在可见光波长内范围内吸光率高，并且具有良好的光电催化性能。
[0019]4.本专利技术通过喷雾热解仅需要控制沉积次数，即可控制薄膜的厚度，制备方法简单，成本低、可重复性好、耗能低，可制备大面积薄膜，适合商业化推广应用。
附图说明
[0020]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。
[0021]图1为本专利技术实施例1制备的BiVO4和CuBi2O4薄膜的X射线衍射图谱；
[0022]图2为本专利技术实施例1制备的BiVO4/CuBi2O4异质结的扫描电子显微镜图谱；
[0023]图3为本专利技术实施例1制备的BiVO4以及BiVO4/CuBi2O4异质结在pH为7的水溶液中的光电流密度图谱；
[0024]图4为本专利技术实施例1制备的BiVO4/CuBi2O4异质结在pH为7的水溶液中1.23V vs.RHE时的光电转换效率图谱；
[0025]图5为本专利技术实施例1制备的BiVO4/CuBi2O4异质结的能带示意图谱；
[0026]图6为本专利技术实施例1制备的BiVO4/CuBi2O4异质结在pH为7的水溶液中的光电化学稳定性测试图谱；
[0027]图7为本专利技术实施例1制备的BiVO4/CuBi2O4异质结的可见光吸收率检测结果示意图；
[0028]图8为本专利技术对比例制备的BiVO4薄膜的Bi 4f的XPS图谱；
[0029]图9为本专利技术对比例制备的BiVO4薄膜的V 2p的XPS图谱；
[0030]图10为本专利技术对比例制备的B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/氧化铋铜异质结催化剂，其特征是，导电玻璃与氧化铋铜层之间设置钒酸铋层，钒酸铋层与氧化铋铜层之间形成异质结。2.一种钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂的制备方法，其特征是，先采用喷雾热解法在导电玻璃表面制备钒酸铋层，然后采用喷雾热解法在钒酸铋层表面制备氧化铋铜层。3.如权利要求2所述的钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂的制备方法，其特征是，将钒盐和铋盐采用喷雾热解在导电玻璃衬底表面进行薄膜沉积，然后进行退火处理形成钒酸铋层。4.如权利要求3所述的钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂的制备方法，其特征是，钒盐和铋盐制成溶液，并加入甲酸三乙酯，然后进行喷雾热解；优选地，溶剂为乙醇。5.如权利要求3所述的钒酸铋/氧化铋铜异质结催化剂的制备方法，其特征是，温度为300～500℃；或，喷雾热解的气压为0.2～0.4MPa；或，退火处理的温度为400～500℃；或，钒盐和铋...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋安刚，朱地，赵保峰，关海滨，徐丹，冯翔宇，
申请(专利权)人：山东省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：