[發明專利]一種片狀三氧化鎢光電極及其制備方法

在審

• 申請號: 201310691028.X
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN104711528A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 李燦;王楠;施晶瑩;鄭霄家
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/08;C23C14/58;C25B11/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 劉陽

技術領域

本發明涉及一種片狀陣列構成的三氧化鎢多孔薄膜光電極及其制備方法。

背景技術

環境危機和能源危機日益嚴峻，對社會經濟的發展產生嚴重的制約作用。自從1971年Fujishima和Honda發現利用TiO₂作為電極，在光照的情況下，可以促進水的光電解之后，利用半導體催化劑進行光催化分解水制氫和光電化學分解水制氫得到了越來越多的關注。

在早期的光電化學分解水的研究中，體相薄膜或者單晶材料被用來作為光電極。近些年來，具有納米織構的薄膜電極憑借其大的表面積和多孔等特性成為人們研究的重點。WO₃憑借酸性條件下的穩定性、有較好的可見光響應等特點，一直得到廣泛的關注。利用水熱方法制備WO₃納米片、納米線電極有相關報道（Fumiaki?Amano,D.L.and?Ohtani,B.,Chem.Commun.,2010,46,2769；Jun?Zhang,Jiang-ping?Tu,Xin-hui?Xia,Xiu-li?Wang?and?Chang-dong?Gua,J.Mater.Chem.,2011,21,5492；Zhihui?Jiao,Jinmin?Wang,Lin?Ke,Xiao?Wei?Sun,and?Hilmi?Volkan?Demir,ACS?Appl.Mater.Interfaces,2011,3,229），但一般情況下要在160-200℃進行水熱反應，得到的通常為水合WO₃，如WO₃·2H₂O、WO₃·H₂O或者WO₃·(H₂O)_0.333，含有較多的缺陷，而且由于結構導向劑的存在，都需要進一步進行高溫退火處理，才能得到光電性能較好的WO₃電極材料。Rose?Amal等人（Charlene?Ng,Changhui?Ye,Yun?Hau?Ng,Rose?Amal,Crystal?Growth&Design.,2010,10(8),3794）報道利用電化學沉積方法在鎢片上制備花狀結構的WO₃·2H₂O，但是在制備過程中需要外加較高的偏壓。中國專利CN101660124A采用共濺射金屬合金的方法，再通過堿性溶液中進行選擇性腐蝕氧化，得到了多孔氧化鎢薄膜。但是，該方法利用合金薄膜中金屬元素活性的差異，只限于金屬元素活潑的鋁，且并未應用到光電化學分解水及光伏電池中。利用溶劑熱等化學方法制備的電極材料雖然具有一定的多孔結構，但是薄膜與基底的結合力較差，在實際應用中，長時間的反應可能會導致薄膜脫落等現象，而且不適宜大規模的生產。磁控濺射是制備薄膜的一種常見方法，廣泛應用在太陽能電池領域，具有生產工藝簡單，成本底、易于大規模生產，制備的薄膜與基地的附著力好等優點，但是由于制備的薄膜致密性好，作為光電極材料與溶液的接觸面減少，且透光性較高，減少了對光的利用率。

發明內容

本發明的目是提供一種片狀陣列構成的三氧化鎢多孔薄膜光電極的制備方法，該方法采用的是磁控反應濺射法與化學刻蝕方法相結合，解決了濺射方法制備薄膜致密性高、比表面積小的缺點和化學法制備的薄膜與基底結合力差的問題。制備工藝容易控制，成本較低，適合大規模生產。

為實現上述目的，本發明提供一種片狀陣列構成的三氧化鎢多孔薄膜電極的制備方法，

其中WO₃片大小為200-1800nm，厚度為20-80nm，整體呈陣列堆疊方式。制備的主要步驟如下：

將清洗干凈的導電基底放入反應磁控濺射設備中，本底真空抽至小于7×10^-7torr，濺射氣體為Ar，反應氣體為O₂，工作壓強為2-20mtorr，首先沉積20-50nm的氧化鎢作為致密層，然后采用雙金屬靶共濺射，濺射功率為40-200W，靶材到基底的距離為120～170mm，樣品臺轉速為1～20rpm，沉積的混相非晶氧化物薄膜厚度為200～1000nm。

將制備的混相非晶氧化物薄膜在酸性溶液中浸泡1-10小時，取出，清洗，干燥，得到多孔薄膜。

在空氣中450-550℃進行退火處理，得到片狀陣列構成的WO₃多孔薄膜光電極。

所述基底為IT導電玻璃、FTO導電玻璃。

所述雙金屬靶其中一個靶為鎢靶，另一種為金屬鋁、銅、鋅中的一種，純度均在99.95%以上。