[發明專利]α-Fe2O3多孔納米棒陣列光陽極材料的制備方法及應用

有效

• 申請號: 201710437760.2
• 申請日: 2017-06-12
• 公開（公告）號: CN107268022B
• 公開（公告）日: 2019-02-22
• 發明（設計）人: 劉光;李晉平;趙勇;王開放
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B1/04;C23C18/12
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發明涉及一種用于光電水解制氫的α?Fe₂O₃多孔納米棒光陽極材料，包括采用液?固化學法原位制備FTO導電玻璃基體負載的α?Fe₂O₃多孔納米棒及包含上述α?Fe₂O₃多孔納米棒的光陽極材料。其具體制備方法是在含有FeCl₃的雙氰胺和甲醛縮聚物水溶液中，于FTO導電玻璃基體上原位生長β?FeOOH納米棒陣列，然后通過高溫熱處理得到一維α?Fe₂O₃多孔納米棒陣列光陽極材料。采用該發明制備的α?Fe₂O₃多孔納米棒陣列光陽極材料可以改善電解液在光電極材料中的浸潤，縮短光生載流子的傳輸距離，提升光電水解制氫效率。該制備方法操作方便，簡單易控，制備的光陽極材料在光電催化等方面具有重要的應用潛力。

技術領域

本發明屬于光電催化制氫技術領域，具體為一種α-Fe₂O₃多孔納米棒陣列光陽極材料的制備方法及其應用。

背景技術

光電水解制氫技術是一種極具前景的將太陽能轉化為化學能的途徑，然而光電極材料的光電催化效率一直是制約太陽能水解制氫發展的瓶頸。光電反應通常是在光電化學池（photoelectrochemical cell，PEC）中進行，通常用n型半導體材料做光陽極，金屬作為陰極。當太陽光照射到光陽極材料上時，光陽極材料激發產生的空穴-電子對(h⁺-e^-)參與如下電極反應實現分解水制H₂和O₂（公式1、2）：

實驗證明，要實現太陽能光解水制氫，半導體價帶最下層能級應該比析氧電位更正，導帶最上層能級比析氫電位更負，而且需要合適的禁帶寬度（1.8eV~3.0eV）以吸收太陽光，同時在水中具有較高的穩定性，且價格低廉；其次具有較高的光生空穴-電子分離效率、長壽命激發電子以及表面析氫或析氧活性位。因此，開發可見光響應、高穩定半導體光陽極材料是提高光電水解制氫效率的關鍵。

近年來，具有合適禁帶寬度的金屬氧化物（WO₃，BiVO₄，α-Fe₂O₃）作為新型半導體光電極材料，受到國內外研究者的關注。其中α-Fe₂O₃，由于具有合適的禁帶寬度（~2.1eV），優異的化學穩定性以及環境友好、廉價易得等優點，被認為是極具研究價值及應用前景的新一代太陽能水解制氫半導體材料。然而，較短的光生載流子壽命（<10ps）和傳輸距離（~2-4nm），導致光生電子-空穴分離效率低，而且較少的表面析氧活性位，使得α-Fe₂O₃的實際太陽能制氫效率遠遠低于理論值。目前，提升α-Fe₂O₃材料光電水解制氫性能的方法主要有：

1、元素摻雜，在制備α-Fe₂O₃材料時可摻入金屬或非金屬元素，從而改變其電子微觀結構，改善導電性能，促進光生載流子的利用，從而提升材料的光電制氫效率。

2、表面處理，通過在α-Fe₂O₃材料的表面負載析氧助催化劑或與其它半導體材料復合，可以加速材料表面的析氧反應或降低表面缺陷的濃度，進而促進光生載流子的利用率，提升其光電制氫效率。

3、納米結構化，采用原位水熱、氣相沉積、原子層沉積等方法制備具有納米結構的α-Fe₂O₃材料，研究證明通過構筑一維納米線、二維納米片或三維納米菜花狀α-Fe₂O₃材料可以有效提升光電極與電解液的接觸面積，降低電荷轉移內阻，從而促進光生載流子傳輸，最終提升光電極材料的光電制氫性能。