一种钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极及其制备方法技术

一种钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极及其制备方法，属于纳米功能材料领域。步骤：1)在溶解有碘化钾、硝酸铋的水溶液中加入对苯醌、乙醇充分搅拌；2)以上述溶液为电解液，电沉积5～15min，可在导电衬底上沉积得到铋氧碘(BiOI)薄膜；3)再将乙酰丙酮氧钒溶于二甲基亚砜中，加入适量的钴源、镧源搅拌混合均匀；4)移取上述混合有钒源、钴源和镧源的二甲基亚砜溶液均匀涂覆于铋氧碘(BiOI)薄膜上；5)转移至马弗炉中以400

【技术实现步骤摘要】
一种钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米功能材料领域，特别涉及一种钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]太阳能作为一种新兴的可再生能源，已经成为人们目前解决能源短缺和环境污染等问题的首选替代能源之一，但是如何高效地利用太阳能，成为了目前研究的重点和难点。光电化学水分解(PEC)制氢则是太阳能有效利用的最佳策略之一，可以有效地降低能耗，并降低副产物和二次污染的可能。
[0003]钒酸铋BiVO4是一种半导体材料，其禁带宽度约为2.4e V，具有较强的可见光吸收能力，其理论上最大光电流可达7.5mAcm
‑2，太阳能—氢能(STH)的转换效率约为9.2％。BiVO4独特的光学和电学性质使其在光催化有机物的降解、有机合成、光解水和光电分解水等领域具有极其广阔的应用前景。然而，BiVO4光催化材料由于自身存在的一些问题，导致其实际的光电转换效率仍远远低于其理论值，从而限制了其实际应用，存在以下几个问题：(1)BiVO4材料中的电荷迁移，特别是电子迁移速率很慢，导致产生的电荷载流子在到达材料表面之间，已经有大约60％
‑
80％发生复合；(2)相比于亚硫酸盐的氧化反应，该反应的释放氧动力学速率非常缓慢。
[0004]针对BiVO4光阳极的光催化水氧化活性差，光生电子
‑
空穴易复合，同时在光阳极内部及界面产生的空穴积累经常导致光催化剂光腐蚀现象，提出钴镧共掺杂改善BiVO4光阳极的光谱响应范围，调节其能带结构，增强材料的可见光响应光电化学活性。

技术实现思路

[0005]技术问题：本专利技术的目的是提供一种钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极及其制备方法，解决钒酸铋BiVO4应用在光电催化分解水方面存在的光生电子空穴对易重组、水氧化动力学缓慢的问题；用于优化钒酸铋BiVO4的性能，并使其利用太阳能光电催化分解水。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本专利技术为钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极及其制备方法:
[0007]钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极是钴、镧元素通过湿化学/煅烧法两步掺杂到BiVO4晶格中，且钴、镧元素的摩尔比为2:1至5:2；为钴镧共掺杂可见光响应BiVO4纳米多孔膜光阳电极薄膜。
[0008]钴镧共掺杂钒酸铋Co/La
‑
BiVO4光电极的制备方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1、配制碘化钾KI、五水合硝酸铋Bi(NO3)3·
5H2O、硝酸HNO3的混合水溶液，将对苯醌
‑
乙醇溶液逐滴加入，充分搅拌，配制成前驱体溶液一；
[0010]步骤2、以前驱体溶液一为电解液，采用三电极体系，以氟掺杂二氧化锡(FTO)透明导电玻璃为工作电极，铂Pt片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在相对参比电极电位下进行电沉积，制得前驱体铋氧碘BiOI薄膜电极；
[0011]步骤3、将乙酰丙酮氧钒VO(acac)2溶于二甲基亚砜DMSO中作为钒源，向其中加入钴源、镧源，并混合均匀，配制成前驱体溶液二；
[0012]步骤4、移取前驱体溶液二均匀涂覆于铋氧碘BiOI薄膜电极上，在50～100℃下烘干；
[0013]步骤5、将烘干的铋氧碘BiOI薄膜电极转移至马弗炉中，进行400～550℃煅烧1～2h；
[0014]步骤6、将煅烧完成的铋氧碘BiOI薄膜电极浸泡在氢氧化钠NaOH水溶液中除去电极表面过剩的V2O5，再用超纯水反复冲洗并干燥，得到钴镧共掺杂的BiVO4多孔膜光电极。
[0015]步骤1中，所述的碘化钾KI为3.32g；所述的五水合硝酸铋Bi(NO3)3·
5H2O为0.97g；所述的超纯水为50mL；所述的浓销酸HNO3滴加至pH为1.7
‑
1.8；所述的对苯醌
‑
乙醇为0.5g
‑
20mL。
[0016]步骤2中，所述的相对参比电极电位为
‑
0.2
‑‑
0.1V；所述的采用三电极体系进行电沉积的时间为5～15min。
[0017]步骤3中，所述的钴源、镧源，钴源为钴源金属离子，具体为乙酰丙酮钴Co(acac)2，镧源为镧源金属离子，具体为乙酰丙酮镧La(acac)3；所述的二甲基亚砜DMSO为1～3mL；所述的钴源、镧源按摩尔比0
‑
2％加入；其中，钴源的掺入量占比为0～0.4％，镧源的掺入为0～0.2％；钴源和镧源的掺入量之比为2:1～5:2。
[0018]步骤4中，所述的移取前驱体溶液二为0.1
‑
0.2mL。
[0019]步骤5中，所述的马弗炉中升温速率为2
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10℃/min；所述的加热温度为400
‑
550℃。
[0020]步骤6中，所述的氢氧化钠NaOH水溶液为1mol/L；所述的Co/La
‑
BiVO4薄膜，薄膜厚度为1～2μm；Co/La
‑
BiVO4薄膜由纳米颗粒堆积而成的纳米多孔结构，颗粒直径为100
‑
200nm，具有可见光响应。
[0021]有益效果，由于采用了上述技术方案，本专利技术应用钴Co和镧La金属离子对BiVO4进行共掺杂，即对BiVO4实施半导体掺杂改性。半导体掺杂改性提高了材料的光电催化性能，适量的掺杂增加了载流子密度，提升了BiVO4的电导率，从而使其电子
‑
空穴分离效率增大。
[0022]采用本专利技术技术方案制备出的钴镧共掺杂钒酸铋Co/La
‑
BiVO4薄膜具有比表面积大、结晶质量高、可见光响应和稳定性高的特点，获得了具有高光电催化分解水的光阳极，Co/La
‑
BiVO4薄膜光阳极适合应用于光电催化分解水领域，产氢速率达到57.6μmol/cm2h，产氧速率达到25.8μmol/cm2h。其中，钴Co离子的掺入有效增强了BiVO4的带边吸收，同时使带隙减小约0.02eV，使BiVO4具有更宽的光吸收范围；镧La离子的掺入有效降低了BiVO4的起始电位；通过共掺杂后在带隙中出现两条缺陷能级更加增强了BiVO4的的光吸收性能；由于掺杂引起了较多的氧缺陷促进了BiVO4本体及表面电子
‑
空穴的有效分离。
[0023]Co/La
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BiVO4相比纯BiVO4的分解水性能得到了较大的提升。解决了BiVO4应用在光电催化分解水方面存在的光生电子空穴对易重组、水氧化动力学缓慢的问题，达到了本专利技术的目的。
[0024]优点：钴镧双元素共掺可有效增强BiVO4纳米多孔膜的可见光吸收与载流子输运能力，能得到更好的光电催化分解水性能，最高光电流可达3.65mA/cm2，对应的太阳能制氢效率4.38％。制备出的Co/La共掺杂BiVO4薄膜具有比表面积大、结晶质量高、可见光响应和稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钴镧共掺可见光响应BiVO4光电极，其特征在于：钴、镧元素通过湿化学/煅烧法两步掺杂到BiVO4晶格中，且钴、镧元素的摩尔比为2:1至5:2；为钴镧共掺杂可见光响应BiVO4纳米多孔膜光阳电极薄膜。2.权利要求1的一种钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极的制备方法，其特征在于：BiVO4光电极薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1、配制碘化钾KI、五水合硝酸铋Bi(NO3)3·
5H2O、硝酸HNO3的混合水溶液，将对苯醌
‑
乙醇溶液逐滴加入，充分搅拌，配制成前驱体溶液一；步骤2、以前驱体溶液一为电解液，采用三电极体系，以氟掺杂二氧化锡(FTO)透明导电玻璃为工作电极，铂Pt片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在相对参比电极电位下进行电沉积，制得前驱体铋氧碘BiOI薄膜电极；步骤3、将乙酰丙酮氧钒VO(acac)2溶于二甲基亚砜DMSO中作为钒源，向其中加入钴源、镧源，并混合均匀，配制成前驱体溶液二；步骤4、移取前驱体溶液二均匀涂覆于铋氧碘BiOI薄膜电极上，在50～100℃下烘干；步骤5、将烘干的铋氧碘BiOI薄膜电极转移至马弗炉中，进行400～550℃煅烧1～2h；步骤6、将煅烧完成的铋氧碘BiOI薄膜电极浸泡在氢氧化钠NaOH水溶液中除去电极表面过剩的V2O5，再用超纯水反复冲洗并干燥，得到钴镧共掺杂的BiVO4多孔膜光电极。3.根据权利要求2所述的一种钴镧共掺杂可见光响应BiVO4光电极的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述的相对参比电极电位为
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【专利技术属性】
技术研发人员：顾修全，耿会敏，应鹏展，孔丹，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：