[發明專利]仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極及其制備方法

在審

• 申請號: 201910367934.1
• 申請日: 2019-05-05
• 公開（公告）號: CN110219015A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 王濤;高斌;范曉莉;李斌;嚴娟娟;姜澄;郭虎;李洋;何建平;黃現禮
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C25B11/04
• 分類號: C25B11/04;C25B11/06;C25B1/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔;王慧穎

本發明公開了一種仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極及其制備方法，該復合光電極包括釩酸鉍納米片及負載于該釩酸鉍納米片上的仿生錳核立方烷催化劑Mn₄O₄，本發明的方法為先制備釩酸鉍光電極，隨后制備仿生錳核立方烷粉體，將粉體溶于二氯甲烷溶液中，隨后取溶液滴涂于釩酸鉍光陽極，制得仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極；本發明仿生錳核立方烷催化劑負載于釩酸鉍光陽極上能夠有效地加速表面水氧化動力學，從而有效提升光電轉化效率，在光催化水分解、人工光合作用等領域具有廣闊的應用前景；同時該制備方法簡單，成本低，可操作性強。

技術領域

本發明屬于復合薄膜領域，尤其涉及仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極及其制備方法。

背景技術

隨著人類社會的不斷發展，對能源的需求也與日俱增，能源危機與環境污染成為了人類目前所面臨最大的挑戰。而太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，為地球上的生命活動提供了所必需的能源。因此如何將太陽能轉化為可供人類使用的其他能源，引起了研究者的廣泛關注。在目前的研究中，利用金屬氧化物半導體進行光電催化水分解產生氫氣和氧氣，可以將太陽能轉化為穩定的化學能以供人類使用，被認為在太陽能轉化領域具有較好的應用前景。

對于金屬氧化物半導體光電極，影響光轉化效率的關鍵因素就是其光吸收能力。半導體的帶隙越窄，能夠吸收的太陽光波長越長，也就意味著能夠吸收更多的光能激發出載流子對。釩酸鉍半導體的能帶寬度約為2.4 eV，能夠吸收太陽光譜中波長小于516 nm的光波，因此被認為是良好的光電極材料。但是，由于光電催化水分解中的水氧化反應涉及到四電子過程，需要較高的反應過電勢并且反應動力學較慢。所以，如何對半導體光電極進行改性，加快其水氧化反應動力學并降低反應過電勢，是提升光電催化水分解系統效率的關鍵問題。

而自然界中的光合作用被認為是目前最高效的太陽能轉化系統之一，光合作用中光系統Ⅱ是水氧化生成氧氣的關鍵。在光系統Ⅱ中，P680吸色團吸收光能，然后將能量轉移至水氧化催化劑Mn₄CaO₅進而氧化水分子產生氧氣。其中，Mn₄CaO₅被認為是水氧化過程中的關鍵物質，其存在于目前已知的所有的綠色植物中。研究者們對其進行深入研究后發現，獨特的立方烷結構是其具有高效水氧化能力的關鍵因素，因此基于Mn₄CaO₅開發新型的仿生催化劑為提升光電極水氧化效率提供了新思路。

因此，如何從自然界光合作用中汲取思路開發新型高效的光電極提升人工光合作用效率是急需解決的問題。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的問題，公開了一種仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極及其制備方法，通過該方法制備得到一種光電水氧化電流密度大，起始電位低的仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極。

本發明是這樣實現的：

一種仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極，其特征在于，所述的復合光電極包括釩酸鉍納米片及負載于該釩酸鉍納米片上的仿生錳核立方烷催化劑Mn₄O₄。采用仿生錳核立方烷催化劑較好的氧析出能力，將其負載在釩酸鉍半導體光電極表面，可以有效地加速表面水氧化動力學并且降低反應過電勢，從而提升其光電轉化效率。

本發明還公開了一種仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極的制備方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一、制備釩酸鉍光電極；

步驟二、制備仿生錳核立方烷粉體；

步驟三、將粉體溶于二氯甲烷溶液中，隨后取溶液滴涂于釩酸鉍光陽極，制得仿生錳核立方烷催化劑復合釩酸鉍光電極。

進一步，所述的步驟一具體為：