[發明專利]一種有序多孔鈦基氧化鐵薄膜光電催化材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202210104381.2
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114457348B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發明（設計）人: 陳燕鑫;林世偉;盧燦忠
• 申請（專利權）人: 廈門稀土材料研究所
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B1/55;C25B11/031;C25B11/054;C25B11/063;C25B11/091
• 代理公司: 福州智理專利代理有限公司 35208
• 代理人: 王義星

本發明公開了一種有序多孔鈦基氧化鐵薄膜光電催化材料及其制備方法和應用，采用簡易的模板法，將氧化鐵負載在鈦基底上，呈現有序多孔的結構。對制備的鈦基氧化鐵光陽極材料進行了一系列表征與光電催化性能測試，發現其具有優異的光電催化分解水制氫性能，在額外偏壓下增強了對可見光波長吸收，提高了太陽光的利用率，其合成方法簡單、無毒，反應條件易控制，化學性質穩定，為氧化鐵材料在光電催化水解制氫的研究上提供了全新的思路，具有較為良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種有序多孔鈦基氧化鐵薄膜光電催化材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著經濟社會的快速發展，人口基數龐大，人類社會對能源資源的需求不斷增大，傳統能源如石油、煤炭、天然氣等雖然仍是能源消耗的主體，但其過度開發及能源利用率低下等原因造成如今能源緊缺、資源開發難度和成本急劇上升等困境，燃燒利用過程中產生的溫室氣體和有害氣體加劇了全球溫室效應和環境污染，因此優化能源結構，探索可持續、清潔的能源至關重要。氫氣，因其熱值高、清潔、易于儲存而被廣泛應用于工業和日常生活中，但是目前大規模的氫氣生產仍然依賴于化石燃料，比如甲烷的蒸汽重整，這可能會導致一系列的能源和環境問題。因此，利用太陽能將水分解生成氫氣的光電化學電池(PEC)被認為是21世紀解決世界環境和能源問題最有希望的方法之一。

自1972年首次發現TiO₂電極能在紫外光下分解水，人們光催化/光電催化技術的研究不斷發展。半導體光陽極作為PEC電池的關鍵部件，對光生載流子的分離和轉移起著至關重要的作用。其中，氧化鐵（Fe₂O₃）是一種很有前途的半導體材料，由于其具有可見光吸收能力，在地球上儲量豐富、無毒、穩定性好等優點而備受關注。因為氧化鐵的導帶位置(CB)約為0.4V，價帶位置(VB)約為2.4?V，赤鐵礦的水氧化過程不能自發進行，需要施加偏壓激發水氧化反應，這使得氧化鐵更適用于制成光陽極進行光電催化過程分解水。氧化鐵帶隙約為2.0~2.2eV,這使得氧化鐵可以吸收可見光波長(λ420nm)，其理論光電流可達12mA/cm²,理論表觀量子效率可達15%，但由于氧化鐵低電導率和載流子粒徑大導致其空穴擴散長度僅2-4nm，激發態壽命很短(小于10ps)，導致高載流子復合，光轉換效率遠低于理論值。因此，對于氧化鐵的研究大多集中在對氧化鐵光陽極形貌調控上，常見的如將氧化鐵材料制成棒狀、線狀、納米顆粒等一維、二維結構以控制氧化鐵薄膜厚度，加快載流子傳輸速率，提高光轉換效率。

另一方面，二維有序多孔材料（2DOM）具有多孔結構和光子帶隙(PBG)特性，可對可見光波長的吸收進行調控，被廣泛應用于光子器件、傳感器、電池、超級電容器、燃料電池、催化、吸附、以及其他潛在應用。由于2DOM具有較高的孔隙率，可控制較大的表面積和較短的擴散距離，這些特性使得離子擴散系數和電流密度加大，離子擴散速率快，因而可在光電催化過程中表現出優異的性能。同時，單個半導體光催化材料的光生載流子復合速率過快，存在光轉換效率低下的情況，因此在構建氧化鐵薄膜光陽極的過程中，選擇導電性優異的鈦基底材料與氧化鐵協同作用，制備鈦基氧化鐵復合光陽極，利用鈦基表面氧化鈦與氧化鐵的光催化特性與表面有序多孔結構，提升材料整體性能。

本發明通過模板法制備了一種新型多孔有序鈦基Fe₂O₃薄膜光電陽極結構，在PEC電解池中表現出良好的可見光吸收性能，提高了光轉換效率，實現高效率的光電催化分解水制氫，為優化氧化鐵光陽極的光電化學性能提供新的思路，具有較好的應用前景。

發明內容

本發明的目的是：針對目前氧化鐵材料作為光電催化劑分解水制氫催化性能低，制備繁瑣的問題，本發明以單層聚苯乙烯薄膜為模板，將氧化鐵負載在鈦基底上，制備有序多孔的鈦基氧化鐵光陽極材料，方法簡單，產率高，重現性高，光電催化性能優異。

為實現上述目的，本發明獲得有序多孔鈦基氧化鐵薄膜光陽極的技術方案如下：