一种光电阳极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于光电催化技术领域，具体涉及一种光电阳极及其制备方法和应用。本发明专利技术提供了一种光电阳极，包括导电基底和生长在所述导电基底表面的改性氧化铁纳米棒阵列；所述改性氧化铁纳米棒阵列中的改性氧化铁纳米棒包括氧化铁纳米棒和依次包覆在所述氧化铁纳米棒表面的氧化铟层和氢氧化钴

【技术实现步骤摘要】
一种光电阳极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于光电催化
，具体涉及一种光电阳极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]太阳能能够为人类提供足够的能量，如果能够更加有效的利用太阳能，将会减少对其他能源的需求。利用太阳能制备氢气的方法主要包括太阳能光电催化分解水制氢、太阳能驱动热化学反应分解生物质和水制氢。其中，光电催化分解水制氢是利用太阳光和光催化剂直接将水分解成氢气和氧气，这种光电催化分解水制氢的方式很好的解决了太阳能转化和储存的问题，在氢能源的制备和应用上具有较好的前景。
[0003]光电催化分解水是在太阳光和光电极催化剂的共同作用下将水分解为氢气和氧气。在这个过程中，通常采用n型半导体材料作为光电阳极，铂片作为电化学阴极；当光电阳极受到太阳光激发，n型半导体材料产生空穴和电子参与到水的氧化还原反应中，分别在光电阳极与空穴复合产生氧气，在电化学阴极与转移的电子结合产生氢气。
[0004]为了实现高效的太阳能制氢，选择合适的光电极材料是最关键的因素，高性能的光电极材料应符合下列条件：(1)对太阳光的吸收率大；(2)光化学稳定性高；(3)当受到太阳光激发时可以有效地产生并传输电子和空穴，减少电子空穴的复合；(4)有合适的禁带宽度和位置，理论上要求光电极材料的禁带宽度必须大于水的电解电压(1.23eV)；(5)产生光电流时所需要的负载电压低；(6)成本较低。具有纳米结构的n型半导体材料由于其比表面积大、禁带带隙能量可调、载流子收集路径短和电荷转移效率高等特性，被证实具有可观的光电催化分解水的应用前景。
[0005]氧化铁是一种n型半导体材料，由于其光吸收范围宽、稳定性好、廉价无毒等优点，得到了研究学者的广泛关注。但是，氧化铁的导电性差，光生载流子寿命短，导致光生空穴的扩散距离短，光电流密度降低；另外，氧化铁表面存在大量的表面态，电荷表面复合严重，使表面水氧化反应变得迟钝，降低了其光电转化效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种光电阳极及其制备方法和应用，本专利技术提供的光电阳极具有较高的光电流密度和光电转化效率。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种光电阳极，包括导电基底和生长在所述导电基底表面的改性氧化铁纳米棒阵列；
[0009]所述改性氧化铁纳米棒阵列中的改性氧化铁纳米棒包括氧化铁纳米棒和依次包覆在所述氧化铁纳米棒表面的氧化铟层和氢氧化钴
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四氧化三锰复合层。
[0010]优选的，所述氧化铁纳米棒的直径为100～150nm，长度为500～700nm；
[0011]所述氧化铟层的厚度为1～5nm；所述氢氧化钴
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四氧化三锰复合层的厚度为1～5nm。
[0012]优选的，所述氢氧化钴
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四氧化三锰复合层中氢氧化钴和四氧化三锰的摩尔比为1：1～1.5。
[0013]本专利技术还提供了上述技术方案所述的光电阳极的制备方法，包括以下步骤：
[0014]将水溶性铁盐、水溶性钠盐、酸性试剂和水混合，得到水热溶液；
[0015]将导电基底置于所述水热溶液中进行水热反应，得到生长有前驱体的导电基底；
[0016]将所述生长有前驱体的导电基底进行第一煅烧，得到生长有氧化铁纳米棒阵列的导电基底；
[0017]将所述生长有氧化铁纳米棒阵列的导电基底在水溶性铟盐溶液中浸泡后，经第二煅烧，得到生长有修饰氧化铁纳米棒阵列的导电基底；单个修饰氧化铁纳米棒阵列包括氧化铁纳米棒和包覆在所述氧化铁纳米棒表面的氧化铟层；
[0018]以含有水溶性钴盐和水溶性锰盐的水溶液为沉积液，在所述生长有修饰氧化铁纳米棒阵列的导电基底的修饰氧化铁纳米棒阵列一侧的表面进行电沉积，得到所述光电阳极。
[0019]优选的，所述水溶性铁盐包括六水合氯化铁；
[0020]所述水溶性钠盐包括硝酸钠；
[0021]所述酸性试剂的质量浓度为36～38％；
[0022]所述水溶性铁盐和水溶性钠盐的质量比为2.02725：4.2495～5；所述水溶性铁盐和酸性试剂的用量比为2.02725g：0.2～0.3mL；
[0023]所述水热溶液中水溶性铁盐的浓度为0.15～0.20mol/L；
[0024]所述水热反应的温度为90～100℃，升温至所述水热反应温度的升温速率为1～2℃/min，保温时间为4.5～5.5h。
[0025]优选的，所述第一煅烧温度为500～600℃，升温至所述第一煅烧温度的升温速率为1～2℃/min，保温时间为2～2.5h。
[0026]优选的，所述水溶性铟盐溶液中的水溶性铟盐包括硝酸铟；
[0027]所述水溶性铟盐的浓度为0.017～0.020mol/L；
[0028]所述浸泡的时间为1～1.5h。
[0029]优选的，所述第二煅烧温度为400～500℃，升温至所述第二煅烧温度的升温速率为5～6℃/min，保温时间为2～2.5h。
[0030]优选的，所述含有水溶性钴盐和水溶性锰盐的水溶液中的水溶性钴盐包括硝酸钴，所述水溶性钴盐的浓度为0.002～0.003mol/L；
[0031]所述含有水溶性钴盐和水溶性锰盐的水溶液中的水溶性锰盐包括硝酸锰，所述水溶性锰盐的浓度为0.002～0.003mol/L；
[0032]所述电沉积的条件包括：采用三电极电化学电解池，以所述生长有修饰氧化铁纳米棒阵列的导电基底为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，箔片为对电极，阴极电流为1～1.5mA/cm2，电沉积时间为60～90s。
[0033]本专利技术还提供了上述技术方案所述的光电阴极或上述技术方案所述的制备方法制备得到的光电阴极在光电催化水分解制氢中的应用。
[0034]本专利技术提供了一种光电阳极，包括导电基底和生长在所述导电基底表面的改性氧化铁纳米棒阵列；所述改性氧化铁纳米棒阵列中的改性氧化铁纳米棒包括氧化铁纳米棒和
依次包覆在所述氧化铁纳米棒表面的氧化铟层和氢氧化钴
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四氧化三锰复合层。本专利技术采用氧化铟层和氢氧化钴
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四氧化三锰复合层对氧化铁纳米棒进行逐层包覆，其中的氧化铟层能够钝化氧化铁的表面态，而且可以和氧化铁形成高效的异质结，从而实现氧化铁在表面和界面上的高效电荷分离；氢氧化钴
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四氧化三锰复合层能够提供更多的低过电位的表面反应位点，还可以作为抑制表面电荷复合的光生电子/空穴的选择性捕获位点，使得光电阳极表现出良好的可见光吸收性能，进一步提高了光电阳极的光电流密度和光电转化效率。
附图说明
[0035]图1为本专利技术提供的制备方法的流程示意图；
[0036]图2为实施例1中得到的生长有氧化铁纳米棒阵列的钛片(α
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Fe2O3)、生长有修饰氧化铁纳米棒阵列的导电基底(FI)和光电阳极(FICM)的SEM图，其中图2a为α...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电阳极，其特征在于，包括导电基底和生长在所述导电基底表面的改性氧化铁纳米棒阵列；所述改性氧化铁纳米棒阵列中的改性氧化铁纳米棒包括氧化铁纳米棒和依次包覆在所述氧化铁纳米棒表面的氧化铟层和氢氧化钴
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四氧化三锰复合层。2.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述氧化铁纳米棒的直径为100～150nm，长度为500～700nm；所述氧化铟层的厚度为1～5nm；所述氢氧化钴
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四氧化三锰复合层的厚度为1～5nm。3.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述氢氧化钴
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四氧化三锰复合层中氢氧化钴和四氧化三锰的摩尔比为1：1～1.5。4.权利要求1～3任一项所述的光电阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将水溶性铁盐、水溶性钠盐、酸性试剂和水混合，得到水热溶液；将导电基底置于所述水热溶液中进行水热反应，得到生长有前驱体的导电基底；将所述生长有前驱体的导电基底进行第一煅烧，得到生长有氧化铁纳米棒阵列的导电基底；将所述生长有氧化铁纳米棒阵列的导电基底在水溶性铟盐溶液中浸泡后，经第二煅烧，得到生长有修饰氧化铁纳米棒阵列的导电基底；单个修饰氧化铁纳米棒阵列包括氧化铁纳米棒和包覆在所述氧化铁纳米棒表面的氧化铟层；以含有水溶性钴盐和水溶性锰盐的水溶液为沉积液，在所述生长有修饰氧化铁纳米棒阵列的导电基底的修饰氧化铁纳米棒阵列一侧的表面进行电沉积，得到所述光电阳极。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性铁盐包括六水合氯化铁；所述水溶性钠盐包括硝酸钠；所述酸性试剂的质量浓度为36～38％；所述水溶性铁盐和水溶性钠...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕鑫，纪铭豪，陈锐，卢灿忠，
申请(专利权)人：厦门稀土材料研究所，
类型：发明
国别省市：