[發(fā)明專利]鉍酸鈣/氧化鎢復(fù)合光電極、制備方法及其在光電催化分解水中的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910231007.7
• 申請日: 2019-03-26
• 公開（公告）號: CN109750313B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史維娜;王吉超;郭曉偉;李英;侯玉霞;孫雪琴;張曉靜;吳方琰
• 申請（專利權(quán)）人: 新鄉(xiāng)學(xué)院;河南科技學(xué)院
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/02;C25B11/06
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙) 41104
• 代理人: 時(shí)立新;楊海霞

本發(fā)明涉及一種鉍酸鈣/氧化鎢復(fù)合光電極的制備方法，其具體為：1）以鎢酸為原料，以PVA、PVP、檸檬酸、草酸、乙腈等為形貌控制劑，通過180?200℃下保溫6?12小時(shí)溶劑熱后，再于450?600℃煅燒1?3小時(shí)，得到片狀WO₃光電極；2）以硝酸鉍、硝酸鈣為原料，與氨水溶液交叉滴加旋涂后，升溫至450?550°C保溫10?24小時(shí)，自然冷卻至室溫即得。本發(fā)明得到的CaBi₆O₁₀/WO₃復(fù)合光電極成本低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其光電流密度得到明顯的提升，提高了光電極光電催化水分解效率，而且在中性溶液表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合電極制備及光電催化分解水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉍酸鈣/氧化鎢（CaBi₆O₁₀/WO₃）復(fù)合光電極、制備方法及其在光電催化分解水中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)和工業(yè)的快速發(fā)展，化石燃料的大量而快速的消耗，使得人類在面臨日益嚴(yán)峻能源危機(jī)的同時(shí)，也要面臨著全球氣候變暖問題。新型能源的開發(fā)逐漸成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。半導(dǎo)體氧化物光電化學(xué)太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)是利用半導(dǎo)體氧化物電極將通過分解水或其他途徑將太陽能轉(zhuǎn)化成可儲(chǔ)存的氫能，它被認(rèn)為是解決日益增長的能量需求最優(yōu)潛力的途徑之一。其中，光電催化技術(shù)因采用外加電壓與光驅(qū)動(dòng)并行的方式，使得半導(dǎo)體產(chǎn)生的光生載流子得到了有效的分離，同時(shí)使得光生電子與光生空穴分別在不同的電極上參與水的氧化和還原反應(yīng)，從而避免了水分解產(chǎn)物氧氣和氫氣的后期分離，同時(shí)將催化材料固定在導(dǎo)電基底也利于催化劑的循環(huán)使用。其中，半導(dǎo)體光陽極材料在光電催化反應(yīng)過程中主要是利用光生空穴發(fā)生析氧反應(yīng)。三氧化鎢（WO₃）作為較窄帶隙（2.5~2.7 eV）的n型半導(dǎo)體，可以吸收一部分可見光，并且其價(jià)帶位置比水分解電位要正（3 eV vs. NHE），因此WO₃常作為光陽極材料使用。然而，WO₃自身也存在一些缺點(diǎn)，比如析氧動(dòng)力學(xué)較差，在中性電解質(zhì)溶液中穩(wěn)定性差，使其在光電催化測試中實(shí)際的光電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理想的效果。

為了提高半導(dǎo)體電極材料的光電化學(xué)性能，我們就需要通過各種手段（摻雜，材料復(fù)合、表面處理、形貌和結(jié)構(gòu)控制等）來對其進(jìn)行改造優(yōu)化。其中，半導(dǎo)體復(fù)合是應(yīng)用最為廣泛的手段之一。其利用半導(dǎo)體之間形成異質(zhì)結(jié)，在提高復(fù)合材料的光響應(yīng)范圍的同時(shí)，提升光生載流子的分離效率，進(jìn)而提高了光電極的光電流。此外，催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是實(shí)際應(yīng)用性關(guān)注的重點(diǎn)之一。因此，開發(fā)構(gòu)建高效、穩(wěn)定、廉價(jià)、易得的復(fù)合半導(dǎo)體光電極仍然是半導(dǎo)體光電催化水分解技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種CaBi₆O₁₀/WO₃復(fù)合光電極，該復(fù)合光電極不僅成本低廉、合成簡單，并且其光電流密度得到較大提升，材料在中性溶液中的穩(wěn)定性也得到提高，有望使得WO₃基光電極得到廣泛應(yīng)用。

本發(fā)明還提供了上述CaBi₆O₁₀/WO₃復(fù)合光電極的制備方法及其在光電催化分解水中的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種鉍酸鈣/氧化鎢復(fù)合光電極的制備方法，其首先以鎢酸為原料，以PVA、PVP、檸檬酸、草酸、乙腈等為形貌控制劑，通過煅燒得到片狀WO₃光電極；然后以硝酸鉍、硝酸鈣為原料，與氨水交叉旋涂后經(jīng)煅燒獲得；其具體包括如下步驟：

1）WO₃種子層制備：稱鎢酸、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮與雙氧水混合后，加熱至80-90℃回流反應(yīng)1.5-3.5小時(shí)，得到鎢酸溶液，將鎢酸溶液旋涂在潔凈的FTO導(dǎo)電玻璃表面，然后于450-600℃保溫1-3小時(shí)，得到負(fù)載WO₃種子層的FTO導(dǎo)電玻璃；