/ZnO同質(zhì)結(jié)材料及其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電化學(xué)水解技術(shù)領(lǐng)域，特指一種Fe203/Zn0同質(zhì)結(jié)材料及其制備方法和用途。首先利用水熱合成方法在FTO基片上合成氧化鐵薄膜層，然后利用懸凃法在其之上鋪滿一層氧化鋅晶種，最后再使用水熱合成方法在氧化鐵表面負(fù)載一層氧化鋅顆粒。
【背景技術(shù)】
[0002]光電化學(xué)分解水制氫，作為一個(gè)有效解決當(dāng)前世界能源問(wèn)題的途徑，已經(jīng)吸引了全世界的廣泛關(guān)注；在這個(gè)過(guò)程中，光電陽(yáng)極的效率和穩(wěn)定性是光電化學(xué)水解過(guò)程中的重要特征，金屬氧化物半導(dǎo)體因具有良好的效率以及穩(wěn)定性被選中作為光電化學(xué)水解中光電陽(yáng)極的候選材料。
[0003]氧化鐵是一種重要的半導(dǎo)體金屬氧化物材料，由于其優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，如化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性，無(wú)毒性，和較高光催化活性，而且制造成本低廉，已經(jīng)被廣泛研究來(lái)應(yīng)用光陽(yáng)極材料。
[0004]氧化鋅是一種重要的無(wú)機(jī)材料，由于其較好的透明度，以及較好的分散性，在光電化學(xué)水解制氫領(lǐng)域中得到廣泛研究和應(yīng)用；氧化鋅(ZnO)的帶隙較寬(約3.37)，因此能和氧化鐵(Fe2O3)較好的匹配在一起，形成n-n同質(zhì)結(jié)，從而達(dá)到促進(jìn)電子和空穴分離、提高光催化活性、促進(jìn)水分解的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)單的氧化鐵(Fe2O3)/氧化鋅(ZnO)同質(zhì)結(jié)材料的合成方法。
[0006]本發(fā)明采用低溫下液相法經(jīng)水熱反應(yīng)先制備出羥基氧化鐵(FeOOH)，繼而再通過(guò)溶膠凝膠法經(jīng)煅燒制備出形貌相對(duì)均一的氧化鐵(Fe2O3)顆粒，再利用懸凃法在氧化鐵(Fe2O3)之上鋪滿一層氧化鋅(ZnO)晶種，最后通過(guò)水熱合成法在其薄膜表面合成一層氧化鋅(ZnO)納米棒。
[0007]所述同質(zhì)結(jié)材料的制備方法，是按照下列步驟進(jìn)行:
A、在FTO基片沉積氧化鐵顆粒
(I)配制0.3mol/L氯化鐵溶液和2mol/L硝酸鈉溶液，按照體積比1:1混合攪拌得到混合溶液A。
[0008](2)用稀鹽酸調(diào)節(jié)混合溶液A的pH值到1.7。
[0009](3)將步驟2所得到的混合溶液A轉(zhuǎn)移至四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在其中放入清洗過(guò)的FTO基片，F(xiàn)TO面朝下，升溫至95°C溫度下恒溫4h，自然冷卻，得到表面沉積有羥基氧化鐵顆粒的FTO基片。
[0010](4)將表面沉積有羥基氧化鐵顆粒的FTO基片取出用去離子水洗滌干凈，然后將其放入馬弗爐中升溫至550°C，升溫速率2°C/min ;煅燒2小時(shí)，冷卻至室溫后取出基片，得到表面沉積有氧化鐵顆粒的FTO基片。
[0011]B、在表面沉積有氧化鐵顆粒的FTO基片上滴加10mM/L乙酸鋅溶液直至鋪滿FTO基片，自然晾干后，放入馬弗爐中升溫至300°C，升溫速率2V /min,，恒溫2小時(shí)，冷卻至室溫后取出，得到氧化鐵顆粒表面沉積有氧化鋅晶種的FTO基片。
[0012]C、配制3-lOOmmol/L乙酸鋅溶液和25mmol/L六次亞甲基四胺溶液按照體積比1:1放入燒杯中超聲攪拌。
[0013]D、將步驟C所得到的溶液轉(zhuǎn)移至四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在其中放入步驟B所得到的基片，含有物質(zhì)的面朝下，升溫至100°c溫度下恒溫4h，自然冷卻，得到氧化鐵和氧化鋅復(fù)合產(chǎn)物。
[0014]E、將步驟D所得到的FTO片取出用去離子水洗滌干凈，然后將其放入馬弗爐中升溫至500°C，升溫速率2V /min，煅燒2小時(shí)，冷卻至室溫后取出基片，即得到棒狀氧化鋅負(fù)載在氧化鐵顆粒上的Fe203/Zn0同質(zhì)結(jié)材料。
[0015]本發(fā)明中的氧化鋅(ZnO)的結(jié)構(gòu)由X-射線衍射儀確定，X-射線衍射儀圖中除了氧化鐵(Fe2O3)特征峰外，其他主峰均為氧化鋅(ZnO)特征峰；該圖譜表明，由水熱合成法所制備的氧化鋅(ZnO)為純相氧化鋅(ZnO)，其與標(biāo)準(zhǔn)氧化鋅(ZnO)卡片(79-2205)相吻合。
[0016]場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)測(cè)試表明，由水熱合成法制備出的氧化鋅(ZnO)為棒簇型結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度大小為0.8 —1.2 u m。
[0017]通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)可進(jìn)一步觀察到棒狀氧化鋅(ZnO)負(fù)載在氧化鐵(Fe2O3)顆粒上。
[0018]本發(fā)明的另一個(gè)目的:一、提供所制備的氧化鐵(Fe2O3)/氧化鋅(ZnO)同質(zhì)結(jié)材料的實(shí)驗(yàn)方法；二、將同質(zhì)結(jié)材料作為工作電極應(yīng)用于光電化學(xué)水解反應(yīng)。
[0019]氧化鐵(Fe2O3)/氧化鋅(ZnO)復(fù)合電極在氙燈光源照射下光電流測(cè)試步驟如下:在CHI 852C型電化學(xué)工作站下進(jìn)行，在電解槽里加入0.5mol/L的硫酸鈉(Na2SO4)作為電解液，加入氯化銀電極作為參比電極，加入鉬電極作為對(duì)電極，氧化鐵(Fe2O3)/氧化鋅(ZnO)同質(zhì)結(jié)材料作為工作電極，進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。
[0020]有益效果
利用簡(jiǎn)單的表面涂敷法，水熱合成法和溶膠凝膠法所制備的氧化鋅(ZnO)形貌為棒簇型結(jié)構(gòu)，該材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性好，光電化學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，且所用材料價(jià)廉易得，符合環(huán)境友好要求。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1氧化鐵(Fe2O3)和氧化鐵(Fe2O3)/氧化鋅(ZnO)復(fù)合物的X射線衍射分析圖(XRD)。
[0022]圖2氧化鐵(Fe2O3)/氧化鋅(ZnO)復(fù)合物的掃描電鏡圖(SEM)。
[0023]圖3氧化鐵(Fe2O3)/氧化鋅(ZnO)復(fù)合物的透射電鏡圖(TEM)。
[0024]圖4氧化鐵(Fe2O3)/氧化鋅(ZnO)復(fù)合物的循環(huán)伏安線性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。
[0026]實(shí)施例1
A、在FTO基片沉積氧化鐵顆粒
(I)配制0.3mol/L氯化鐵溶液和2mol/L硝酸鈉溶液，按照體積比1:1放入燒杯中攪拌得到混合溶液A。
[0027](2)用稀鹽酸調(diào)節(jié)混合溶液A的pH值到1.7。
[0028](3)將步驟2所得到的混合溶液A轉(zhuǎn)移至四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在其中放入清洗過(guò)的FTO基片，F(xiàn)TO面朝下，升溫至95°C溫度下恒溫4h，自然冷卻，得到表面沉積有羥基氧化鐵顆粒的FTO基片。
[0029](4)將表面沉積有羥基氧化鐵顆粒的FTO基片取出用去離子水洗滌干凈，然后將其放入馬弗爐中升溫至550°C，升溫速率2°C/min，，煅燒2小時(shí)，冷卻至室溫后取出基片，得到表面沉積有氧化鐵顆粒的FTO基片。
[0030]B、在表面沉積有氧化鐵顆粒的FTO基片上滴加10mM/L乙酸鋅溶液直至鋪滿FTO基片，自然晾干后，放入馬弗爐中升溫至300°C，升溫速率2V /min,，恒溫2小時(shí)，冷卻至室溫后取出，得到氧化鐵顆粒表面沉積有氧化鋅晶種的FTO基片。
[0031]C、配制3mmol/L乙酸鋅溶液和25mmol/L六次亞甲基四胺溶液按照體積比1:1放入燒杯中超聲攪拌。
[0032]D、將步驟C所得到的溶液轉(zhuǎn)移至四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在其中放入步驟B所得到的基片，含有物質(zhì)的面朝下，升溫至100°c溫度下恒溫4h，自然冷卻，得到氧化鐵和氧化鋅復(fù)合產(chǎn)物。
[0033]E、將步驟D所得到的FTO片取出用去離子水洗滌干凈，然后將其放入馬弗爐中升溫至500°C，升溫速率2V /min，煅燒2小時(shí)，冷卻至室溫后取出基片，即得到穩(wěn)定的氧化鐵(Fe2O3) /氧化鋅(ZnO)復(fù)合電極。
[0034]實(shí)施例2
A、在FTO基片沉積氧化鐵顆粒
(I)配制0.3mol/L氯化鐵溶液和2mol/L硝酸鈉溶液，按照體積比1:1放入燒杯中攪拌得到混合溶液A。
[0035](2)用稀鹽酸調(diào)節(jié)混合溶液A的pH值到1.7。
[0036](3)將步驟2所得到的混合溶液A轉(zhuǎn)移至四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在其中放入清洗過(guò)的FTO基片，F(xiàn)TO面朝下，升溫至95°C溫度下恒溫4h，自然冷卻，得到表面沉積有羥基氧化鐵顆粒的FTO基片。
[0037](4)將表面沉積有羥基氧化鐵顆粒的FTO基片取出用去離子水洗滌干凈，然后將其放入馬弗爐中升溫至550°C，升溫速率2°C/min，，煅燒2小時(shí)，冷卻至室溫后取出基片，得到表面沉積有氧化鐵顆粒的FTO基片。
[0038]B、在表面沉積有氧化鐵顆粒的FTO基片上滴加10mM/L乙酸鋅溶液直至鋪滿FTO基片，自然晾干后，放入馬弗爐中升溫至300°C，升溫速率2°C/min，恒溫2小時(shí)，冷卻至室溫后取出，得到氧化鐵顆粒表面沉積有氧化鋅晶種的FTO基片。
[0039]C、配制6mmol/L乙酸鋅溶液和25mmol/L六次亞甲基四胺溶液按照體積比1:1放入燒杯中超聲攪拌。
[0040]D、將步驟C所得到的溶液轉(zhuǎn)移至四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在其中放入步驟B所得到的基片，含有物質(zhì)的面朝下，升溫至100°c溫度下恒溫4h，自然冷卻，得到氧化鐵和氧化鋅復(fù)合產(chǎn)物。
[0041]E、將步驟D所得到的FTO片取出用去離子水洗滌干凈，然后將其放入馬弗爐中升溫至500°C，升溫速率2V /min，煅燒2小時(shí)，冷卻至室溫后取出基片，即得到穩(wěn)定的氧化鐵(Fe2O3) /氧化鋅(ZnO)復(fù)合電極。
[0042]實(shí)施例3
A、在FTO基片沉積氧化鐵顆粒
(I)配制0.3mol/L氯化鐵溶液和2mol/L硝酸鈉溶液，按照體積比1:1放入燒杯中攪拌得到混合溶液A。
[0043](2)用稀鹽酸調(diào)節(jié)混合溶液A的pH值到1.7。
[0044](3)將步驟2所得到的混合溶液A轉(zhuǎn)移至四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在其中放入清洗過(guò)的FTO基片，F(xiàn)TO面朝下，升溫至95°C溫度下恒溫4h，自然冷卻，得到表面沉積有羥基氧化鐵顆粒的FTO基片。
[0045](4)將表面沉積有羥基氧化鐵顆粒的FTO基片取出用去離子水洗滌干凈，然后將其放入馬弗爐中升溫至550°C，升溫速率2°C/min，，煅燒2小時(shí)，冷卻至室溫后取出基片，得到表面沉積有氧化鐵顆粒的F