[發(fā)明專利]三氧化鎢復(fù)合光電極及其制備方法、和在光電催化分解水中的應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2017-08-10
• 公開（公告）號: CN107400899B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張曉凡;張炳雁;孔維倩;張守仁;楊保成
• 申請（專利權(quán)）人: 黃河科技學(xué)院
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B1/04
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙)41104
• 代理人: 時立新

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三氧化鎢復(fù)合光電極及其制備方法、和在光電催化分解水中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

利用半導(dǎo)體光電催化技術(shù)將太陽能通過水分解轉(zhuǎn)化為氫能，并以氫氣這種化學(xué)能的形式存儲然后利用，是解決目前能源危機最有希望的方式之一。1972年，F(xiàn)ujishima首次報道TiO₂光電極可以利用太陽能分解水[A.Fujishima,K.Honda,Nature,1972,238(5358):37-38，從此拉開了光電化學(xué)分解水的序幕。1976年，Honda首次將WO₃作為光陽極用于光電催化分解水[G.Hodes,D.Cahen,J.Manassen,Nature,1976,260:312-313]，從而引起了研究者的廣泛關(guān)注。

三氧化鎢(WO₃)是一種n型間接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為2.5～2.8eV，理論吸收邊帶為430～500nm，具有獨特的光電化學(xué)性質(zhì)。因其禁帶寬度比較窄、空穴所在的價帶電位比較高(+3.10～3.20V vs.NHE)，是一種非常具有應(yīng)用前景的氧化物半導(dǎo)體催化劑。此外，它還具有無毒、在酸性溶液中穩(wěn)定性強、自然界礦產(chǎn)資源豐富、成本低等優(yōu)點。因此，WO₃在太陽能轉(zhuǎn)換、光催化降解、電致變色等領(lǐng)域得到了廣泛的研究。但WO₃也存在光生電子-空穴易復(fù)合、電化學(xué)析氧反應(yīng)慢等不足，限制了其應(yīng)用。目前文獻報道的提高其光電催化活性的方法主要包括構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)、碳材料修飾(碳點、石墨烯等)、半導(dǎo)體耦合、摻雜和修飾助催化劑等，其中助催化劑主要作用在于降低反應(yīng)的過電位，促進電子的轉(zhuǎn)移，阻止電子-空穴的復(fù)合，從而提高材料的光電催化效率。但是用于修飾WO₃的助催化劑種類有限，主要包括Co-Pi，F(xiàn)eOOH和NiFe LDH等。研究表明在堿性環(huán)境中，Ni摻雜FeOOH(Ni:FeOOH)在電催化氧析出反應(yīng)方面展現(xiàn)了比NiOOH和FeOOH更高的催化活性[Y.Liang,Y.Yu,Y.Huang,et al.,J.Mater.Chem.A,2017,5,13336-13340]。最近，鄭曉琳課題組利用水熱合成了Ni:FeOOH[L.Cai,J.Zhao,H.Li,et al.,ACS Energy Lett.,2016,1,624-632]，并將其應(yīng)用于修飾WO₃/BiVO₄光電極，有效提高了其光電催化活性，驗證了Ni:FeOOH促進光電催化分解水反應(yīng)的可行性。因此，構(gòu)筑Ni:FeOOH修飾WO₃復(fù)合光電極有望增加光生電荷的分離和轉(zhuǎn)移，進而促界面析氧反應(yīng)，最終提高光電催化活性。

石墨烯具有比表面積大(2630m²g^-1)，電荷載流子遷移率高(200000cm²V^-1s^-1)和電阻率低(10^-6Ωcm)且化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在電催化和光電催化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究表明在電催化領(lǐng)域，石墨烯可以提高電催化劑(助催化劑)的導(dǎo)電性和比表面積，從而提高催化劑的電催化OER和HER活性。在光電催化領(lǐng)域，石墨烯修飾半導(dǎo)體光電極，不僅有助于提高材料的導(dǎo)電性，而且對光的吸收也有貢獻，在提高光電極的光電催化活性方面也有廣泛研究。但是目前將石墨烯與助催化劑結(jié)合共修飾半導(dǎo)體以提高其光電催化活性的研究較少，Jae Sung Lee課題組報道了RGO與NiFe LDH混合后再修飾Fe₂O₃光電極可以有效提高光電催化活性后[D.Youn,Y.Park,J.Kim,et al.,J.Power Sources,2015,294,437-443]。最近，衛(wèi)敏課題組將RGO/NiFe LDH結(jié)合用于TiO₂光電極的修飾并取得到了良好的效果[F.Ning,M.Shao,S.Xu,et al.,Energy Environ.Sci.,2016,9,2633-2643]。然而將RGO與Ni:FeOOH共修飾WO₃用于光電催化分解水的研究目前還沒有報道。

發(fā)明內(nèi)容

基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供了三氧化鎢復(fù)合光電極，通過還原石墨烯和鎳鐵羥基氧化物共修飾三氧化鎢光電極，來提高電荷轉(zhuǎn)移效率。

本發(fā)明還提供了三氧化鎢復(fù)合光電極的制備方法，以及三氧化鎢復(fù)合光電極在光電催化分解水中的應(yīng)用。