【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电催化，具体涉及一种铜铋氧薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着全球的工业及经济化发展，化石燃料产生的碳排放和能源分布不均所造成的环境问题日益严峻，寻找新的、可再生的绿色能源对于人类可持续发展起着关键性作用。太阳能是一种免费和清洁的自然资源，长期以来一直被认为是最有前途的可再生能源之一。以太阳能为源头的氢能在近年来受到了广泛的关注，目前最关键的问题在于如何开发经济和高效的科技手段以实行太阳能的收集、储存和利用。在大多的解决方案中，光电催化分解水系统的投入和运行综合成本具有明显的优势，是制取氢气的最具效益的途径之一。
2、铜铋氧(cubi2o4)具有合适的带隙宽度，作为光电催化还原水的光阴极具有很多优势，是用于构建光电水解器件的理想材料之一。但较差的载流子传输能力严重限制了光催化性能，导致其实际光电流密度远低于理论值。面对cubi2o4较差的载流子传输能力，研究者提出了许多改进措施例如构建空穴传输层、掺杂、构建异质结、负载表面催化剂、形貌调控。然而迄今为止报道的cubi2o4光电流密度仍远小于理论光电流密度。而关于制备cubi2o4薄膜电极的文献报道不多，制备方法主要集中在电化学沉积法，旋涂法和喷涂法等。现有技术通过两步热解喷涂法分别在fto上先后喷涂bi源和cu源，该方法制备得到的氧化铋(bi2o3)形貌和尺寸难以调控，难以进一步通过形貌调控手段提高cubi2o4光电催化性能。
3、因此，寻找一种可以合成具有可控纳米结构的cubi2o4薄膜的实施方法，使其可以拥有较高的自由度调控纳米
技术实现思路
1、为解决上述全部或部分的技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
2、本专利技术的目的之一在于提供一种铜铋氧薄膜，所述铜铋氧薄膜是由多个纳米片结构的铋族化合物经二次退火并沉积cu元素得到的；所述纳米片结构的铋族化合物在退火过程中熔融形成纳米孔道，在所述铜铋氧薄膜的表面和所述纳米孔道中掺杂有cu元素，其中cu元素与bi元素的摩尔比为1∶1～1∶5，并且cu元素含量从所述铜铋氧薄膜的表面向纳米孔道的方向递减。
3、所述铋族化合物呈纳米片结构，单个纳米片的宽度为150～300nm，长度为350～450nm，厚度为30～50nm。所述铋族化合物包括biof、biocl、biobr、bioi、bioat、biots中的一种或者多种。所述纳米片以斜插、直插、平铺的方式嵌入在基底表面，形成覆盖致密、分布均匀的铋族化合物薄膜。
4、本专利技术的目的之二在于提供一种铜铋氧薄膜的制备方法，所述制备方法包括：
5、使含有bi3+和卤素离子的第一前驱体溶液在基底表面反应形成铋族化合物薄膜；
6、对所述铋族化合物薄膜进行第一退火处理，得到bi2o3薄膜；
7、将含有cu2+的第二前驱体溶液施加在所述bi2o3薄膜上，并进行第二退火处理，得到铜铋氧薄膜。
8、在直接采用铜源和铋源形成铜铋氧薄膜的现有技术中，得到的产物薄膜形貌和尺寸难以调控，在本专利技术所述制备方法中，首先形成的铋族化合物薄膜具有高结晶性纳米结构，以其为前驱体模板制备铜铋氧(cubi2o4)薄膜可以使最终的产物薄膜继承前驱体薄膜的纳米结构特征，从而实现对铜铋氧薄膜纳米结构的调控；以及，本专利技术先对铋族化合物薄膜进行高温退火处理使其转化为同样具有高结晶性纳米结构特征的氧化铋薄膜，然后再沉积铜离子，可以避免铜离子与铋族化合物中的杂原子生成杂质相而阻碍其扩散至bi3+晶格中；形成的铜铋氧薄膜具有铜缺陷梯度掺杂特征，铜元素含量沿薄膜表面向内部纳米孔道呈递减趋势，有利于构建内建电场，提高光生电荷的分离效率，进一步提高光电流密度；且形成的铜铋氧薄膜覆盖致密、形貌可控、比表面积大；将其作为光阴极材料用于催化分解水领域展现了良好的光电催化性能。
9、在部分实施例中，所述第一前驱体溶液中的bi3+浓度为0.01～0.2mol/l。
10、在部分实施例中，所述第一前驱体溶液中bi3+与卤素离子的摩尔比为1∶1～1∶5。
11、在部分实施例中，所述第一前驱体溶液中的bi3+的来源包括可溶性的铋盐，例如包括但不限于硝酸铋、柠檬酸铋中的一种或者多种。
12、在部分实施例中，所述第一前驱体溶液中的卤素离子的来源包括卤化铵盐，所述卤化铵盐例如包括但不限于碘化铵、氯化铵、溴化铵、氟化铵，或者at、ts的铵盐类化合物。
13、在部分实施例中，所述第一前驱体溶液的粘度为0.5～50cps。将溶液粘度控制在该范围，能够使喷涂时的雾化效果更优，从而提高沉积的致密性，使薄膜的纳米结构更加规则致密。
14、在部分实施例中，所述第一前驱体溶液的溶剂包括沸点在300℃以内的有机溶剂中的一种或者多种的组合。
15、进一步的，所述有机溶剂包括乙二醇、甲醇、二乙二醇中的一种或者多种。
16、更进一步的，所述有机溶剂为包括乙二醇和甲醇的混合溶剂，或者为包括二乙二醇和甲醇的混合溶剂。所述的混合有机试剂在高温条件下，能够与空气中的氧气快速发生热分解反应，产生气体和水挥发，从而使基底表面生长规则的铋族化合物纳米片。
17、在部分实施例中，所述第一前驱体溶液还包括表面活性剂。加入表面活性剂能够分散固体颗粒，防止颗粒沉积或凝聚，提高均匀分散性；具有湿润表面的性质，能够降低表面张力，使液体更容易渗透和覆盖表面。
18、进一步的，所述表面活性剂包括曲拉通x系列的表面活性剂中的一种或者多种。例如包括但不限于曲拉通x-100、曲拉通x-114。
19、进一步的，所述第一前驱体溶液中表面活性剂的的体积百分比为0.5vol％-2vol％。
20、在部分实施例中，将铋盐、卤化铵盐均匀分散于有机溶剂中，再加入表面活性剂，调节溶液粘度至0.5～50cps，得到所述的第一前驱体溶液。
21、在部分实施例中，所述制备方法具体包括：将所述基底的温度调节至200℃～400℃，然后将所述第一前驱体溶液均匀涂覆在所述基底上，得到所述的铋族化合物薄膜。
22、进一步的，所述涂覆的方法包括点涂、旋涂、浸涂、喷涂中的一种或者多种的组合。
23、在部分实施例中，所述基底包括导电基底，所述导电基底包括fto、ito或金属导电基底。
24、在部分实施例中，所述铋族化合物包括biof、biocl、biobr、bioi、bioat、biots中的一种或者多种。
25、在部分实施例中，所述铋族化合物薄膜具有高结晶性致密纳米片结构。所述纳米片以斜插、直插、平铺的方式嵌入在基底表面，以实现覆盖致密、分布均匀。这些纳米片结构在退火过程中熔融形成纳米孔道，以使最终形成的铜铋氧薄膜具有规则多孔结构，具有较大的比表面积。
26、在部分实施例中，所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铜铋氧薄膜，其特征在于：所述铜铋氧薄膜是由多个纳米片结构的铋族化合物经二次退火并沉积Cu元素得到的；所述纳米片结构的铋族化合物在退火过程中熔融形成纳米孔道，在所述铜铋氧薄膜的表面和所述纳米孔道中掺杂有Cu元素，其中Cu元素与Bi元素的摩尔比为1∶1～1∶5，并且Cu元素含量从所述铜铋氧薄膜的表面向纳米孔道的方向递减。
2.一种铜铋氧薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述铋族化合物包括BiOF、BiOCl、BiOBr、BiOI、BiOAt、BiOTs中的一种或者多种；和/或，所述铋族化合物薄膜的厚度为50～800nm；
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂包括曲拉通X-100、曲拉通X-114中的一种或者多种的组合；
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，具体包括：将所述基底的温度调节至200℃～400℃，然后将所述第一前驱体溶液均匀涂覆在所述基底上，得到所述铋族化合物薄膜；
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述将第二前驱
7.权利要求2～6任一项所述的制备方法得到的铜铋氧薄膜。
8.权利要求1或7所述的铜铋氧薄膜在光电催化分解水中的应用。
9.一种光阴极，其特征在于，包括权利要求1或7所述的铜铋氧薄膜。
10.一种光电催化分解水制氢系统，包括光阳极和光阴极，其特征在于：所述光阴极包括权利要求1或7所述的铜铋氧薄膜。
...【技术特征摘要】
1.一种铜铋氧薄膜，其特征在于：所述铜铋氧薄膜是由多个纳米片结构的铋族化合物经二次退火并沉积cu元素得到的；所述纳米片结构的铋族化合物在退火过程中熔融形成纳米孔道，在所述铜铋氧薄膜的表面和所述纳米孔道中掺杂有cu元素，其中cu元素与bi元素的摩尔比为1∶1～1∶5，并且cu元素含量从所述铜铋氧薄膜的表面向纳米孔道的方向递减。
2.一种铜铋氧薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述铋族化合物包括biof、biocl、biobr、bioi、bioat、biots中的一种或者多种；和/或，所述铋族化合物薄膜的厚度为50～800nm；
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂包括曲拉通x-100、曲拉通x-114中的一种或者多种的组合；
<...【专利技术属性】
技术研发人员：况永波，高静，高天澍，安赛，周扬，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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