一种在FTO上生长的氧化钨基光电催化材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于复合材料和光电催化技术领域，具体为一种在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料、制备方法及其应用；本发明专利技术所涉及的复合光电催化材料是基于能带排列工程理念进行构筑的由氧化钨和与氧化钨带隙匹配的第二相半导体（TiO2、ZnO、Sn3O4、SnO2、BiVO4、Bi2WO6、Bi2MoO6等）形成的三维分级结构的Ⅱ型异质复合材料，氧化钨和第二相半导体均采用溶剂热法进行制备，第二相半导体在氧化钨表面外延生长。本发明专利技术制备过程简单、成本低廉、合成方法普适，所得到的复合材料具有较好的结构和形貌，从而使得所制备的光电极表现出较为优异的光电催化活性，在光电催化水分解制氢方面具有很好的应用前景。好的应用前景。好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种在FTO上生长的氧化钨基光电催化材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及复合材料和光电催化
，具体涉及一种在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着温室效应的加剧和化石能源的快速消耗，寻找清洁能源和可再生能源引起了人们的极大关注。氢能作为一种零碳排放能源是构建现代清洁能源体系的重要组成部分，在践行“双碳”目标这一历史使命中承担着重要作用。目前，我国氢能产业发展势头强劲，但仍面临成本高、储运难和效率低等问题。为实现“双碳”目标，我国氢气年需求量将大幅增加。然而，目前全球制氢结构仍以天然气制备的灰氢和蓝氢为主，以可再生能源制取的绿色氢能占比还很小。长期来看，利用太阳能和风能等可再生能源电解水制取绿氢、利用半导体电极通过光电化学分解水来制氢，是一种无毒无害的制备工艺，是近年来的研究热点。
[0003]WO3作为n型半导体材料，具有成本低、化学稳定性高、合适的禁带宽度等优点，在光电领域具有较好的应用前景。WO3的带隙约为2.7 eV，能够在可见光下光电催化分解水。然而，纯WO
3 并不是一种有效的光电催化材料。一方面是其导带边缘低于H2O/H2的氧化还原电位（0V），这在热力学上不利于还原水以生成氢。另一方面，光照射WO3光电极表面激发所产生的光生载流子极易复合，这些就导致了纯相WO3的光生电子和空穴的利用率不高。因此，如何拓宽光谱响应范围和提高其光电转化效率是当前WO3半导体材料研究的主要焦点。为提高其光电化学性能，常用的途径主要包括：改善材料结构、金属元素掺杂、非金属元素掺杂、贵金属沉积、半导体耦合等。值得注意的是，通过能带排列工程（Band Alignment Engineering）理念进行带隙匹配，将WO3和与氧化钨带隙匹配的第二相半导体耦合所形成的三维分级结构II型异质复合材料，不仅可以提升其本身的电荷分离效率，而且还可以拓宽光吸收响应范围。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种在F掺杂SnO2导电玻璃(FTO)上生长的氧化钨基复合光电催化材料、制备方法及其应用。该复合材料的制备工艺简单，具有普适性，成本低廉，合成的三维分级的复合光电催化材料具有II型异质结构，在拓展光响应范围的同时，可实现载流子在价带和导带边上的顺势迁移，有效促进光生电子
‑
空穴的分离，在光照条件下能够显现出优异的光电催化性能，在光电催化分解水制氢方面具有很好的应用前景。
[0005]本专利技术基于能带排列工程（Band Alignment Engineering）理念，通过带隙匹配，设计、合成了一系列新型的在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料（WO3@ZnO、WO3@Sn3O4、WO3@SnO2、WO3@BiVO4、WO3@Bi2WO6和WO3@Bi2MoO6等），并用于光电化学水分解制氢。在这复合光电催化材料中，WO3和与氧化钨带隙匹配的第二相半导体耦合所形成的三维分级结
构的 II 型异质复合材料，不仅可以有效抑制光生电子
‑
空穴对的重组，促进各界面的电荷转移；而且大的比表面积和三维分级结构，还可以增加催化作用的活性位点、实现光在材料界面的反射和漫反射，进而改善光的收集和利用。因此，该系列复合光电催化材料，不仅可以有效利用基体WO3和第二相半导体的性能，而且两种材料之间可以通过能带、形貌和结构等的协同作用来弥补各自的不足，从而获得更加优异的光电催化性能。
[0006]本专利技术的技术方案具体介绍如下。
[0007]本专利技术提供一种在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料，复合光电催化材料为基于能带排列工程理念进行构筑的Ⅱ型异质复合材料，其整体呈三维分级结构，以生长在FTO上的纳米片结构阵列氧化钨为主干，与氧化钨带隙匹配的第二相半导体在氧化钨表面外延生长为纳米片/棒/针 ；其通过下述两步溶剂热反应获得：（1）采用溶剂热法在FTO上制备纯相氧化钨纳米片阵列；（2）采用溶剂热法将与氧化钨带隙匹配的第二相半导体在纯相氧化钨纳米片阵列表面生长和负载，从而得到氧化钨基复合光电催化材料。
[0008]本专利技术中，第二相半导体选自TiO2、ZnO、Sn3O4、SnO
2 、BiVO4、Bi2WO6或Bi2MoO6中任一种。
[0009]本专利技术还提供一种上述的在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料的制备方法，其通过下述两步溶剂热反应获得：（1）采用溶剂热法在FTO上制备纯相氧化钨纳米片阵列；（2）采用溶剂热法将与氧化钨带隙匹配的第二相半导体在纯相氧化钨纳米片阵列表面生长和负载，从而得到氧化钨基复合光电催化材料；具体步骤如下：（1）纯相氧化钨纳米片阵列的制备量取一定体积的盐酸，加入到一定体积的溶剂中，搅拌一段时间后，加入一定质量的二水合钨酸钠，继续搅拌一段时间后，加入称量好的草酸铵并搅拌，得到溶液A；将溶液A转移至预先放置FTO导电玻璃的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中， FTO导电玻璃斜靠在内壁，导电面斜向下，一定温度下溶剂热处理，待反应结束自然冷却至室温，将得到的样品洗涤数次并干燥，即获得纯的氧化钨纳米片阵列；（2）氧化钨基复合光电催化材料的制备以可溶性金属盐为第二相半导体的前驱体，称取一定量的可溶性金属盐中的一种或两种加入到一定量的溶剂中，搅拌使其完全溶解制成溶液B；将溶液B转移至预先放置步骤（1）所得到的生长有氧化钨纳米片阵列FTO导电玻璃的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，FTO导电玻璃斜靠在内壁，长有氧化钨纳米片阵列面斜向下，一定温度下溶剂热处理，待反应结束后，自然冷却至室温，经洗涤、干燥，即得到氧化钨基复合光电催化材料；其中：所述可溶性金属盐为四价钛盐、锌盐、亚锡盐、铋盐、锡盐、钨酸盐、钼酸盐、偏钒酸盐中的一种或两种。
[0010]上述步骤（1）、（2）中，溶剂独立的选自去离子水、无水乙醇、乙二醇或丙三醇中任意一种或几种。
[0011]上述步骤（1）中，溶液A中，二水合钨酸钠的摩尔浓度为0.01
‑
0.2 mol/L，盐酸的浓度为1
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6 mol/L，草酸铵的摩尔浓度为0.015
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0.1 mol/L，溶剂热反应温度为90
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150℃，反应时间为5
‑
24h。
[0012]上述步骤（2）中，溶液B中，可溶性金属盐的浓度为0.01
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1.5 mol /L；溶剂热反应温度为50
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200℃，反应时间为3
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20h。
[0013]进一步的，本专利技术提供一种上述的在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料在光电催化反应中的应用。进一步的，在光电催化分解水制氢反应中的应用。
[0014]和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术制得的在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料具有独特的形貌、结构和可见光响应特性，通过能带排列工程构建异质结构可有效抑制光生载流子的复合，在可见光条件下表现出优异的光电催化特性，制备方法简单、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料，其特征在于，复合光电催化材料为基于能带排列工程理念进行构筑的Ⅱ型异质复合材料，其整体呈三维分级结构，以生长在FTO上的纳米片结构阵列氧化钨为主干，与氧化钨带隙匹配的第二相半导体在氧化钨表面外延生长为纳米片/棒/针；其通过下述两步溶剂热反应获得：（1）采用溶剂热法在FTO上制备纯相氧化钨纳米片阵列；（2）采用溶剂热法将与氧化钨带隙匹配的第二相半导体在纯相氧化钨纳米片阵列表面生长和负载，从而得到氧化钨基复合光电催化材料。2.根据权利要求1所述的氧化钨基复合光电催化材料，其特征在于，第二相半导体选自TiO2、ZnO、Sn3O4、SnO
2 、BiVO4、Bi2WO6或Bi2MoO6中任一种。3.一种根据权利要求1所述的在FTO上生长的氧化钨基复合光电催化材料的制备方法，其特征在于，其通过下述两步溶剂热反应获得：（1）采用溶剂热法在FTO上制备纯相氧化钨纳米片阵列；（2）采用溶剂热法将与氧化钨带隙匹配的第二相半导体在纯相氧化钨纳米片阵列表面生长和负载，从而得到氧化钨基复合光电催化材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）纯相氧化钨纳米片阵列的制备量取一定体积的盐酸，加入到一定体积的溶剂中，搅拌一段时间后，加入一定质量的可溶性钨酸盐，继续搅拌一段时间后，加入称量好的草酸铵并搅拌，得到溶液A；将溶液A转移至预先放置FTO导电玻璃的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中， FTO导电玻璃斜靠在内壁，导电面斜向下，一定温度下溶剂热处理，待反应结束自然冷却至室温，将得到的样品洗涤数次并干燥，即获得纯的氧化钨纳米片阵列；（2）氧化钨基复合光电催化材料的制备以可溶性金属盐为第二相半导体的前驱体，称取一定量的可溶性金属盐中的一种或两种加入到一定量的溶剂中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱路平，吴伟浩，闫哲晖，王利军，祝向荣，
申请(专利权)人：上海第二工业大学，
类型：发明
国别省市：