钒酸铜电极材料及制备方法与其在光电催化制氢中的应用技术

本发明专利技术属于先进材料技术领域，涉及钒酸铜电极材料及制备方法与其在光电催化制氢中的应用。将硝酸铜溶液和双(乙酰丙酮)氧钒(VO(AcAc)2)溶液混合制成前驱体溶液，将前驱体溶液进行喷雾热解在基板表面获得前驱体膜，将前驱体膜在空气氛围中进行退火处理，即得。本发明专利技术制备的α

【技术实现步骤摘要】
钒酸铜电极材料及制备方法与其在光电催化制氢中的应用


[0001]本专利技术属于先进材料
，涉及钒酸铜电极材料及制备方法与其在光电催化制氢中的应用。

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]钒酸铜是一类金属氧化物半导体材料，具有较高的光电化学(PEC)特性，目前研究已知的钒酸铜包括α
‑
CuV2O6、β
‑
Cu2V2O7、γ
‑
Cu3V2O8、Cu5V2O
10
、Cu3VO4、Cu
11
V6O
26
等。据专利技术人研究了解，α
‑
CuV2O6有望用作太阳能水氧化的光电化学电池中的电极，但目前对其光电化学性质的研究却很少。其主要原因在于，当存在足够的Cu、V和氧气时，许多其他Cu
x
V
y
O
z
相(例如Cu3V2O8、Cu2V2O7等)可以优先形成，导致难以制备纯相α
‑
CuV2O6，从而无法将α
‑
CuV2O6作为电极进行光电化学性质的研究。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供钒酸铜电极材料及制备方法与其在光电催化制氢中的应用，本专利技术制备的α
‑
CuV2O6没有CuO和V2O5以及其他钒酸铜相，纯度较高，具有较高的PEC效率，能够作为太阳能分解水的电极材料。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一方面，一种钒酸铜电极材料的制备方法，将硝酸铜溶液和双(乙酰丙酮)氧钒(VO(AcAc)2)溶液混合制成前驱体溶液，将前驱体溶液进行喷雾热解在基板表面获得前驱体膜，将前驱体膜在空气氛围中进行退火处理，即得。
[0007]本专利技术通过将硝酸铜溶液和双(乙酰丙酮)氧钒(VO(AcAc)2)溶液通过喷雾热解，在基板表明形成前驱体膜，在喷雾热解过程中，前驱体溶液雾化形成雾化小液滴，不仅有利于控制沉积在基板的前驱体颗粒的尺寸，而且有利于降低膜厚度，经过进一步研究表明，该前驱体经过进一步退火处理，能够获得纯度更高的α
‑
CuV2O6，并且通过XRD表征表明其膜层不存在CuO和V2O5以及其他钒酸铜相。另外，通过扫描电镜图片表明，本专利技术制备的α
‑
CuV2O6电极材料是由100～500nm的α
‑
CuV2O6纳米颗粒相互连接组成的膜材料，且膜材料的厚度均不高于500nm。
[0008]研究表明，在1.23V vs.RHE时，本专利技术制备的钒酸铜电极材料的光电流密度最高可达0.18mA/cm2，这基本上该材料目前记载中的最高光电流密度。
[0009]另一方面，一种钒酸铜电极材料，由上述制备方法获得。
[0010]光催化分解水制氢分为两个半反应，即光催化还原反应和光催化氧化反应，就热力学而言，光催化水氧化反应是热力学爬坡的反应，因而光催化氧化反应通常被认为是光催化分解水制氢的速控步骤，当光催化氧化反应的效果越好，越有利于加快光催化分解水
制氢的速率，而阳极电极主要进行的是光催化氧化反应，而本专利技术提供的钒酸铜电极材料具有更高的光电流密度，即具有更好的光催化氧化反应，因而第三方面，一种上述钒酸铜电极材料在光电催化制氢中的应用。有利于加快光催化制氢的速率。
[0011]第四方面，一种光催化水解制氢装置，包括水解池，水解池内设置光阳极和光阴极，所述光阳极的活性材料为上述钒酸铜电极材料。
[0012]本专利技术的有益效果为：
[0013]本专利技术通过喷雾热解法制备纯度更高的α
‑
CuV2O6膜，经过结构表征表明，该α
‑
CuV2O6膜层中不存在CuO和V2O5以及其他钒酸铜相。同时，本专利技术制备的α
‑
CuV2O6膜由100～500nm的α
‑
CuV2O6纳米颗粒相互连接组成且厚度不高于500nm。经过实验表明，在1.23V vs.RHE时，本专利技术制备的钒酸铜电极材料的光电流密度最高可达0.18mA/cm2，有利于加快光催化分解水制氢的速率，从而能够更好地应用于光催化制氢中。
附图说明
[0014]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。
[0015]图1为本专利技术实施例1制备的α
‑
CuV2O6膜的XRD谱图；
[0016]图2为本专利技术实施例1制备的α
‑
CuV2O6膜的形态表征图，a为FTO的SEM，b为α
‑
CuV2O6膜的表面SEM，c为α
‑
CuV2O6膜的断面SEM，d为AFM；
[0017]图3为本专利技术实施例1制备的α
‑
CuV2O6膜的光学和电荷载流子传输特性图，a为紫外吸收光谱，b为吸收系数，c为Tauc图，d为α
‑
CuV2O6膜的时间分辨微波电导率(TRMC)信号；
[0018]图4为本专利技术实施例1制备的α
‑
CuV2O6膜线性扫描伏安图(LSV)图；
[0019]图5为本专利技术实施例1制备的α
‑
CuV2O6膜的稳定性曲线。
具体实施方式
[0020]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0021]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0022]为了解决现有方法难以制备纯相α
‑
CuV2O6，且现有α
‑
CuV2O6的光催化氧化反应的活性较差，难以应用于光催化制氢，本专利技术提出了钒酸铜电极材料及制备方法与其在光电催化制氢中的应用。
[0023]本专利技术的一种典型实施方式，提供了一种钒酸铜电极材料的制备方法，将硝酸铜溶液和双(乙酰丙酮)氧钒溶液混合制成前驱体溶液，将前驱体溶液进行喷雾热解在基板表面获得前驱体膜，将前驱体膜在空气氛围中进行退火处理，即得。
[0024]本专利技术经过上述制备方法能够获得纯度更高的α
‑
CuV2O6，形成的膜层由100～500nm的α
‑
CuV2O6纳米颗粒相互连接组成，同时膜层厚度不高于500nm。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钒酸铜电极材料的制备方法，其特征是，将硝酸铜溶液和双(乙酰丙酮)氧钒溶液混合制成前驱体溶液，将前驱体溶液进行喷雾热解在基板表面获得前驱体膜，将前驱体膜在空气氛围中进行退火处理，即得。2.如权利要求1所述的钒酸铜电极材料的制备方法，其特征是，硝酸铜溶液的溶剂为乙醇；双(乙酰丙酮)氧钒溶液的溶剂为乙醇。3.如权利要求1所述的钒酸铜电极材料的制备方法，其特征是，硝酸铜与双(乙酰丙酮)氧钒的摩尔比为0.9～1.1:2。4.如权利要求1所述的钒酸铜电极材料的制备方法，其特征是，喷雾热解的驱动气源为0.3～0.5bar的氮气。5.如权利要求1所述的钒酸铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋安刚，刘素香，王钦普，孙磊，朱地，赵保峰，商红发，乌兰巴日，马川义，
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：