一种电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电极技术领域，具体涉及一种电极材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的电极材料，包括导电基体和包覆于所述导电基体表面的纳米钒酸铁层；所述纳米钒酸铁层由片状纳米钒酸铁形成，所述片状纳米钒酸铁的厚度为500nm～3μm，所述片状纳米钒酸铁的长度为1.5～1.8cm，所述片状纳米钒酸铁的宽度为0.9～1.1cm；所述片状纳米钒酸铁为氧缺陷型纳米钒酸铁。包覆于导电基体表面的纳米钒酸铁片具有较小的片层厚度，光生载流子能够有效传输到材料表面抑制载流子在传输过程中的复合；纳米片结构具有较高的暴露面积，使钒酸铁光电极与溶液有很好的接触；氧缺陷的引入使钒酸铁表面产生更多的水氧化位点，有效地实现界面水分子的氧化。氧化。氧化。

【技术实现步骤摘要】
一种电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电极
，具体涉及一种电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着工业的不断发展，能源危机和环境污染的问题日益突显，光电化学水分解技术能够将丰富的太阳能转换为可储存的清洁氢能，在减少环境污染的同时提供了新的能源。有效的半导体光电极材料是提升光电催化分解水产氢的关键。
[0003]三元N型钒酸铁光电极材料由地球丰度较高的铁元素组成，其带隙仅为2.0～2.1eV，可吸收约600nm以上的可见光，且其理论光电流密度高达12.9mA/cm2，被认为是一种很有前途的光阳极材料。但是，目前开发的钒酸铁光电极材料的光电流密度均很低，主要归因于其载流子复合效率高、载流子传输距离短，这极大地限制了钒酸铁的进一步应用。
[0004]经过研究纳米化是提高半导体光电极载流子分离效率的有效方法，纳米结构能够使光生载流子到达表界面的传输距离更短，同时保持显著的光吸收，并为水氧化反应提供更大的比表面积。但是，现有的纳米钒酸铁大多为棒状结构，用于光电极材料时电流密度较传统钒酸铁提高有限，仍需开发具有较高光电流密度的光电极材料。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种电极材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的电极材料具有较高的光电流密度，能够提高光电解水产氢的效率。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种电极材料，包括导电基体和包覆于所述导电基体表面的纳米钒酸铁层；
[0007]所述纳米钒酸铁层由片状纳米钒酸铁形成，所述片状纳米钒酸铁的厚度为500nm～3μm，所述片状纳米钒酸铁的长度为1.5～1.8cm，所述片状纳米钒酸铁的宽度为0.9～1.1cm；
[0008]所述片状纳米钒酸铁为氧缺陷型纳米钒酸铁。
[0009]优选的，所述纳米钒酸铁层的厚度为1～3μm；
[0010]所述导电基体为FTO导电玻璃、碳纸、泡沫镍、钛片或石墨片。
[0011]本专利技术还提供了上述技术方案所述电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]将可溶性二价铁盐和碱金属硝酸盐溶解于水，得到混合溶液；
[0013]将导电基体置于所述混合溶液中，以导电基体为工作电极，采用三电极系统进行第一电沉积，得到附着片状FeOOH的导电基体；
[0014]将附着片状FeOOH的导电基体置于氟化钒水溶液中，以附着片状FeOOH的导电基体为工作电极，采用三电极系统进行第二电沉积，得到附着片状FeOOH/VO
x
的导电基体；
[0015]在保护气氛中将附着片状FeOOH/VOx的导电基体煅烧，得到所述电极材料。
[0016]优选的，所述第一电沉积的时间为1～10min，所述第一电沉积的电位为
‑
0.9～
‑
1.1V。
[0017]优选的，所述可溶性二价铁盐包括硫酸亚铁、氯化亚铁和硝酸亚铁中的一种或多种；所述碱金属硝酸盐包括硝酸钠或硝酸钾；
[0018]所述混合溶液中可溶性二价铁盐的摩尔浓度为0.1～0.5mol/L；所述混合溶液中碱金属硝酸盐的摩尔浓度为0.05～0.2mol/L。
[0019]优选的，所述第二电沉积的时间为50～120min，第二电沉积的电位为1～1.2V。
[0020]优选的，所述氟化钒水溶液的摩尔浓度为0.05～0.1mol/L。
[0021]优选的，所述第一电沉积和第二电沉积采用的三电极系统的对电极为铂网电极，参比电极为氯化银电极。
[0022]优选的，所述煅烧的温度为450～650℃，所述煅烧的保温时间为1～10h。
[0023]本专利技术还提供了上述技术方案所述电极材料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的电极材料在光电催化水分解中的应用。
[0024]本专利技术提供了一种电极材料，包括导电基体和包覆于所述导电基体表面的纳米钒酸铁层；所述纳米钒酸铁层由片状纳米钒酸铁形成，所述片状纳米钒酸铁的厚度为500nm～3μm，所述片状纳米钒酸铁的长度为1.5～1.8cm，所述片状纳米钒酸铁的宽度为0.9～1.1cm；所述片状纳米钒酸铁为氧缺陷型纳米钒酸铁。在本专利技术中，包覆于导电基体表面的纳米钒酸铁片具有较小的片层厚度，光生载流子能够有效传输到材料表面，从而很好地抑制载流子在传输过程中的复合；并且，纳米片结构具有较高的暴露面积，使钒酸铁光电极与溶液有很好的接触；另外，氧缺陷的引入使钒酸铁表面产生更多的水氧化位点，进而有效地实现了界面水分子的氧化。本专利技术提供的电极材料用于光电催化水分解中能够高效率的电解水。实施例的结果显示，本专利技术提供的电极材料在1.2V电位下的光电流密度为9.6
×
10
‑2mA/cm2。
[0025]本专利技术还提供了上述技术方案所述电极材料的制备方法，包括以下步骤：将可溶性二价铁盐和碱金属硝酸盐溶解于水，得到混合溶液；将导电基体置于所述混合溶液中，以导电基体为工作电极，采用三电极系统进行第一电沉积，得到附着片状FeOOH的导电基体；将附着片状FeOOH的导电基体置于氟化钒水溶液中，以附着片状FeOOH的导电基体为工作电极，采用三电极系统进行第二电沉积，得到附着片状FeOOH/VO
x
的导电基体；在保护气氛中将附着片状FeOOH/VO
x
的导电基体煅烧，得到所述电极材料。本专利技术通过将导电基体浸入到包括二价铁离子和碱金属硝酸盐的混合溶液中，利用三电极系统在负向偏压下进行电沉积反应；含有硝酸根离子的电解液在电场的作用下，氧酸阴离子在电极附近被还原为氢氧根离子，随后与溶液中的二价铁离子反应生成FeOOH纳米片。然后，将FeOOH纳米片浸入氟化钒水溶液，利用三电极系统在正向偏压下进行电沉积反应，电解液中的钒离子在正电位下被氧化为VO
x
形成FeOOH/VO
x
。随后，在保护气氛下，利用高温固相反应煅烧FeOOH/VO
x
得到氧缺陷型钒酸铁纳米片。本专利技术将FeOOH纳米片浸入氟化钒水溶液进行电沉积，可以有效提高VO
x
在FeOOH电极表面的均匀沉积，增加两相界面的接触面积，有利于后续煅烧固相反应进行地更彻底。在高温煅烧过程中，FeOOH受热分解为Fe2O3，Fe2O3与VO
x
通过固相反应生成钒酸铁，且由于该反应在保护气氛下进行，为缺氧环境，生成的钒酸铁表面含有氧缺陷。
附图说明
[0026]图1为实施例1制备得到的附着片状FeOOH的导电基体和含有氧缺陷型片状纳米钒
酸铁的电极材料的SEM图，其中(a)为附着片状FeOOH的导电基体的SEM图；(b)为含有氧缺陷型片状纳米钒酸铁的电极材料的SEM图；
[0027]图2为实施例1制备得到的含有氧缺陷型片状纳米钒酸铁的电极材料的紫外可见漫反射光谱图；
[0028]图3为实施例2制备得到的含有氧缺陷型片状纳米钒酸铁的电极材料在暗态和光照下以及钒酸铁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电极材料，其特征在于，包括导电基体和包覆于所述导电基体表面的纳米钒酸铁层；所述纳米钒酸铁层由片状纳米钒酸铁形成，所述片状纳米钒酸铁的厚度为500nm～3μm，所述片状纳米钒酸铁的长度为1.5～1.8cm，所述片状纳米钒酸铁的宽度为0.9～1.1cm；所述片状纳米钒酸铁为氧缺陷型纳米钒酸铁。2.根据权利要求1所述电极材料，其特征在于，所述纳米钒酸铁层的厚度为1～3μm；所述导电基体为FTO导电玻璃、碳纸、泡沫镍、钛片或石墨片。3.权利要求1或2所述电极材料的制备方法，包括以下步骤：将可溶性二价铁盐和碱金属硝酸盐溶解于水，得到混合溶液；将导电基体置于所述混合溶液中，以导电基体为工作电极，采用三电极系统进行第一电沉积，得到附着片状FeOOH的导电基体；将附着片状FeOOH的导电基体置于氟化钒水溶液中，以附着片状FeOOH的导电基体为工作电极，采用三电极系统进行第二电沉积，得到附着片状FeOOH/VO
x
的导电基体；在保护气氛中将附着片状FeOOH/VOx的导电基体煅烧，得到所述电极材料。4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述第一电沉积的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛煜磊，熊贤强，韩得满，武承林，张晓，
申请(专利权)人：台州市生物医化产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：