通過(guò)半導(dǎo)體納米材料復(fù)合制備光電化學(xué)電池異質(zhì)結(jié)光電極的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光電化學(xué)電池電極的制備方法，尤其涉及一種通過(guò)半導(dǎo)體納米材料復(fù)合制備光電化學(xué)電池異質(zhì)結(jié)光電極的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫能，是一種最好的無(wú)污染的綠色能源，因?yàn)闅錃馊紵漠a(chǎn)物是水，不會(huì)對(duì)環(huán)境有任何污染。現(xiàn)在高效常見的制氫方式主要是電解水，但是這卻需要額外的能量，限制了其發(fā)展。太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的自然資源，每年照到地球表面的太陽(yáng)能相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10000倍和全世界化石能源總量的1/10，因此利用太陽(yáng)能光解水制氫是利用太陽(yáng)能的最好方法之一。而現(xiàn)在通過(guò)半導(dǎo)體材料的光催化作用，以及組裝光電化學(xué)電池等手段為利用太陽(yáng)光來(lái)分解水產(chǎn)生氫氣提供了新的可能途徑。
[0003]自從1972年日本的Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)1102能在紫外光照射下能夠分解水的論文發(fā)表以來(lái)，大量不同的研究大都致力于通過(guò)提高光吸收和改善載流子傳輸這兩個(gè)主要方面來(lái)提高光解水的效率，而制備不同半導(dǎo)體材料及其納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)這兩種需求的重要手段。
[0004]就提高光吸收方面，可進(jìn)行的手段有主要有:(I)帶隙修飾。通過(guò)本征摻雜或非本征摻雜，改變材料的帶隙結(jié)構(gòu)，使之光譜吸收邊紅移，達(dá)到吸收更多太陽(yáng)光的目的；(2)染料敏化或量子點(diǎn)敏化。用作染料敏化或量子點(diǎn)敏化的材料本身能吸收額外的太陽(yáng)光，因而增加了單一材料的光吸收。
[0005]就改善載流子傳輸方面，可進(jìn)行的手段有:(I)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)可以利用其內(nèi)建電場(chǎng)抑制電子空穴對(duì)的復(fù)合，加速載流子的分離；(2)共催化劑修飾。共催化劑可以加速電子或空穴與電解液中的反應(yīng)物反應(yīng)；(3)等離子效應(yīng)。等離子材料不僅可以產(chǎn)生多余的熱電子，還可以產(chǎn)生局部電磁場(chǎng)，加速電子空穴分離。
[0006]當(dāng)然還有其他手段可以提高關(guān)吸收和改善載流子傳輸能力。簡(jiǎn)言之，利用半導(dǎo)體材料制備的電極來(lái)利用太陽(yáng)能分解水制氫是很有前景和可行的方法。相信通過(guò)眾多科研工作者的努力，在突破光解水效率低等缺點(diǎn)后，太陽(yáng)能分解水制氫必將是未來(lái)一向重要的造福地球的產(chǎn)業(yè)。
[0007]有鑒于上述的內(nèi)容，本設(shè)計(jì)人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種通過(guò)半導(dǎo)體納米材料復(fù)合制備光電化學(xué)電池異質(zhì)結(jié)光電極的方法，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種制備簡(jiǎn)單，能夠提高光解水效率的通過(guò)半導(dǎo)體納米材料復(fù)合制備光電化學(xué)電池異質(zhì)結(jié)光電極的方法。
[0009]本發(fā)明提出的一種通過(guò)半導(dǎo)體納米材料復(fù)合制備光電化學(xué)電池異質(zhì)結(jié)光電極的方法，該異質(zhì)結(jié)光電極由氧化鐵(Ct-Fe2O3)與鐵酸鋅(ZnFe2O4)兩種材料復(fù)合而成，用于分解水制備氫氣，其特征在于:包括以下步驟:
[0010]步驟⑴合成a -Fe2O3納米棒陣列；
[0011]步驟(1.1) a -Fe2O3納米棒通多水熱法合成，將導(dǎo)電基底分別在酒精，丙酮和去離子水里各超聲清洗15分鐘；
[0012]步驟(1.2)配制由六水合三氯化鐵，尿素和氟化銨均勻混合的水溶液；
[0013]步驟(1.3)量取1mL該水溶液放置于20mL體積的聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓釜中，把清洗好的導(dǎo)電基底導(dǎo)電面朝下，以一定角度置于該高壓釜內(nèi)襯中，然后將高壓釜加熱到120°C，并在該溫度下反應(yīng)6小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻到室溫后，取出樣品；
[0014]步驟(1.4)把樣品分別在去離子水和酒精里洗刷，然后在空氣中于80°C烘干2小時(shí)，最后在在馬弗爐中于550°C燒結(jié)2小時(shí)，緊接著于750°C中燒結(jié)15分鐘，得到所需的a -Fe2O3納米棒陣列樣品；
[0015]步驟(2)制備a -Fe2O3和 ZnFe 204復(fù)合樣品(a -Fe 203/ZnFe204)；
[0016]步驟(2.1) ZnFe2O4制備通過(guò)在α-Fe 203表面氧化鋅退火處理得到，把步驟(1.4)中合成的a -Fe2O3納米棒樣品放入200°C的ALD (原子層沉積系統(tǒng))反應(yīng)腔體中，以二乙基鋅和H2O分別作為鋅源和氧源，在a -Fe2O3納米棒樣品上沉積ZnO ;
[0017]步驟(2.2)把樣品放置在馬弗爐中于550°C下退火燒結(jié)10小時(shí)，冷卻到室溫后，取出樣品放入lmol/L的氫氧化鈉溶液里10小時(shí)去除殘留的ZnO，再在大量的去離子水中涮洗后，烘干，最終得到α -Fe203/ZnFe204異質(zhì)結(jié)光電極樣品。
[0018]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(1.1)所述的導(dǎo)電基底為FTO(氟摻雜氧化錫)導(dǎo)電玻璃。
[0019]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(1.2)中所述的水溶液中六水合三氯化鐵，尿素和氟化錢，摩爾濃度均為0.lmol/L。
[0020]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2.1)中所述的ZnO沉積在a-Fe2O3納米棒樣品上的厚度為20-80納米。
[0021]借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn):利用a -Fe2O3與ZnFe2O4兩種半導(dǎo)體材復(fù)合得到的異質(zhì)結(jié)光電化學(xué)電池電極，一維的納米棒結(jié)構(gòu)可以增大電極的比表面積，增強(qiáng)陷光效應(yīng)，由于異質(zhì)結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用，外層ZnFe2O4將電子迅速?gòu)钠鋵?dǎo)帶傳輸?shù)降絘 -Fe2O3導(dǎo)帶，同時(shí)α -Fe 203價(jià)帶的空穴可以迅速傳輸?shù)絑nFe 204的價(jià)帶上在，再和電解液里的還原物質(zhì)反應(yīng)。這種異質(zhì)結(jié)光電極比單一 a -Fe2O3納米棒電極的在1.23V的電壓下光電流提高了 1.6-8倍。因此該方法可以克服單一半導(dǎo)體尤其是Fe的缺點(diǎn)，為提高光解水效率提供了切實(shí)可行的手段。
[0022]通過(guò)這種方法構(gòu)建的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光電極具有促進(jìn)電子空穴對(duì)有效分離，減少?gòu)?fù)合和加速電荷傳輸?shù)淖饔?，這種電極可以克服單一半導(dǎo)體載流子迀移率低的缺點(diǎn)，提高傳統(tǒng)單一半導(dǎo)體電極光電轉(zhuǎn)化效率，提高光解水效率，這種方法制備過(guò)程比較簡(jiǎn)單，且可以大規(guī)模生產(chǎn)，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
[0023]上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明所制備的復(fù)合電極材料結(jié)構(gòu)的SM(掃描電子顯微鏡)圖；
[0025]圖2為本發(fā)明不同電極在不同電壓下的光分解水的特性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0027]本發(fā)明提供了一種光電化學(xué)電池分解水工作電極的制備技術(shù)。所述的工作電極時(shí)通過(guò)復(fù)合半導(dǎo)體納米材料的方法，制備出新型的光電化學(xué)電池電極。具體方法為先通過(guò)水熱法在FTO導(dǎo)電基底上合成a -Fe2O3納米線棒，然后通過(guò)ALD技術(shù)在α -Fe 203納米棒上沉積ΖηΟ，最后退火燒結(jié)得到a -Fe203/ZnFe204異質(zhì)結(jié)。將制備的電極材料制作成電極后，用之作為光電化學(xué)電池的工作電極，Pt電極作為對(duì)電極。光照射到工作電極后，兩種材料各自己發(fā)出電子空穴對(duì)，分離后，電子傳到Pt電極與電解液里的H+發(fā)生還原反應(yīng)2H++2e —Η2?？昭ㄅc電解液里的還原物反應(yīng)。通過(guò)這樣的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的光催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水的分解制氫。
[0028]實(shí)施例一:將FTO (氟摻雜氧化錫)導(dǎo)電玻璃分別在酒精，丙酮和去離子水里各超聲清洗