本发明专利技术提供了一种钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备及表面改性方法，涉及材料领域。复合光电极的制备方法包括：清洗FTO导电玻璃；将FTO导电玻璃以导电面朝下的方式置入钛的无机盐水溶液中，在60‑80℃下浸泡10‑60min；将清洗后的FTO导电玻璃在150‑200℃下加热10‑30min；将加热后的FTO导电玻璃置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，并将所述反应釜在60‑100℃下加热2‑5h；取出在反应釜中反应后的所述FTO导电玻璃，并进行清洗，将清洗后的FTO导电玻璃在500‑600℃下退火1‑3h，再在700‑800℃下退火10‑30min，制备得到纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极。本申请的复合光电极制备方法简单，实验条件易于控制，制备得到的复合光电极具有高光电催化分解水性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料领域，特别是涉及纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备及表面改性方法。
技术介绍
近几十年来，随着煤、石油、天然气等化石能源的日渐枯竭和与之伴随的环境污染问题的日益严峻，人类社会的可持续发展受到了严重的威胁，开发清洁的可再生能源已经迫在眉睫。作为清洁能源中的一种，氢能因其具有高燃烧值、高效率和环境友好的特点而被人们认为是解决能源危机和环境问题的最理想替代能源之一。然而，目前氢气的大规模获取主要来自于煤、石油与天然气的重整，这种产氢方式虽然工艺成熟但成本高昂、污染环境，因而寻求绿色、经济、环保的产氢方法势在必行。与此同时，因为具有清洁无污染、分布广泛、取之不尽和用之不竭的优点，太阳能越来越受到人们的重视并开始在现有的能源结构中扮演重要的角色。因此，以半导体纳米材料为催化剂，以太阳能为能量来源的光电催化分解水产氢技术将是未来人类大规模获取氢能的最佳途径之一。在众多的半导体光催化材料中，α相三氧化二铁(α-Fe2O3)纳米材料的禁带宽度窄(2.0-2.2eV)，对太阳光中的紫外光和可见光均具有良好的光电化学响应，而且纳米α-Fe2O3还具有光电催化性能稳定、来源丰富、对环境友好和价格低廉的优点。理论研究表明纳米α-Fe2O3光电极的最大光生电流密度可达12.6mA/cm2，相应的太阳能-氢能的转换效率可达15.5％[4]。因此，α-Fe2O3纳米材料作为一种非常有前途的可见光光催化剂，已经成为半导体光电催化分解水产氢领域的研究热点之一。然而，尽管α-Fe2O3半导体材料具有众多独特的优点，但在大气质量为1.5(AM 1.5)的模拟太阳光的照射下，现今报道的最高太阳能-化学能的转化效率仍不超过3％，其光电催化分解水的相关研究也尚处于实验室研究阶段。
技术实现思路
通过分析发现导致上述问题的主要原因是：α-Fe2O3纳米材料的导电性差、光生空穴扩散路程短(2-4nm)、光电极表面水分子氧化反应速度缓慢，对太阳光的吸收能力差；导带位置比H+/H2的电势电位低，在太阳光的照射下，不能自发的进行产氢反应，需要在外加偏压的作用才能完成整个光解水产氢反应。本专利技术的一个目的是要提供一种纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法，以解决目前复合光电极的制备方法较为复杂，实验条件较为苛刻，所制备的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极与未复合之前的光电极形貌会发生较大变化的问题。本专利技术一个进一步的目的是提供一种纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的表面改性方法，以改善纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的光电催化分解水的性能。特别地，本专利技术提供了一种纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法，包括如下步骤：清洗氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide,FTO)导电玻璃；将清洗后的FTO导电玻璃以导电面朝下的方式置入钛的无机盐水溶液中，在60-80℃下浸泡10-60min；取出浸泡后的所述FTO导电玻璃，并进行清洗，将清洗后的FTO导电玻璃在150-200℃下加热10-30min；将加热后的FTO导电玻璃置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，并将所述反应釜在60-100℃下加热2-5h；取出在反应釜中反应后的所述FTO导电玻璃，并进行清洗，将清洗后的FTO导电玻璃在500-600℃下退火1-3h，再在700-800℃下退火10-30min，制备得到纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极。进一步地，所述将加热后的FTO导电玻璃置入盛有铁的无机盐和葡萄糖水溶液的反应釜中，是将加热后的FTO导电玻璃倾斜地置入盛有铁的无机盐和葡萄糖水溶液的反应釜中。进一步地，所述钛的无机盐为四氯化钛、三氯化钛、硝酸钛和硫酸钛中的一种或多种的组合；所述铁的无机盐为氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硫酸亚铁和硫酸铁中的一种或多种的组合；所述矿化剂为葡萄糖、硝酸钠和尿素中的一种或多种的组合。进一步地，所述钛的无机盐的摩尔浓度为1-40mmol/l；所述铁的无机盐的摩尔浓度为0.1-0.5mol/l；所述矿化剂的摩尔浓度为50-100mmol/l。进一步地，所述将清洗后的FTO导电玻璃在150-200℃下加热10-30min，是将清洗后的FTO导电玻璃放置在加热台上，在150-200℃下加热10-30min；所述将所述反应釜在60-100℃下加热2-5h，是将所述反应釜放置在干燥箱中，在60-100℃下加热2-5h；所述将清洗后的FTO导电玻璃在500-600℃下退火1-3h，再在700-800℃下退火10-30min，是将清洗后的FTO导电玻璃放置在马弗炉中，在500-600℃下退火1-3h，再在700-800℃下退火10-30min。特别地，本专利技术提供了一种纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的表面改性方法，包括如下步骤：表面氟化处理步骤：将纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极置入含有无机氟化物的溶液中，在40-80℃下浸泡1-10min，取出浸泡后的所述复合光电极，并在150-250℃下加热10-30min，加热结束后将温度降至室温，并进行清洗；氢氧化铑助催化剂的负载步骤：在含有铑的无机盐的前驱体溶液中采用光辅助的电化学沉积方法，将氢氧化铑助催化剂负载于表面氟化处理后的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极上。进一步地，所述表面氟化处理步骤中所述将纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极置入含有无机氟化物的溶液中，包括如下步骤：将无机氟化物溶于双氧水和去离子水的混合溶液中，配置成表面氟化处理所用的刻蚀溶液；将所述纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极置入所述刻蚀溶液中。进一步地，所述氢氧化铑助催化剂的负载步骤中，所述在含有铑的无机盐的前驱体溶液中采用光辅助的电化学沉积方法，包括如下步骤：将表面氟化处理后的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极作为工作电极，铂丝电极作为对电极，饱和Ag/AgCl电极作为参比电极；在1moll/l氢氧化钠电解质溶液中，在AM1.5G模拟太阳光的照射下，对表面氟化处理后的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极进行线性伏安扫描；以0.2-0.3mmoll/l的铑的无机盐溶液为电解质溶液，对上述步骤处理后的所述复合光电极进行相同的线性伏安扫描；扫描结束后对所述复合光电极进行清洗和干燥，制备得到氢氧化铑和氟离子共处理的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极。进一步地，所述无机氟化物、双氧水和去离子水的质量比为1-2:50-60：45-55；所述无机氟化物为氟化钠、氟化铵、氟化氢铵和氟硅酸钠中的一种或多种的组合；所述铑的无机盐为三氯化铑、三碘化铑、硝酸铑和硫酸铑中的一种或多种的组合。进一步地，所述线性伏安扫描的扫描电压为-0.4-0.8V，扫描速率为50mV/s。本专利技术的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法由于首先利用钛的无机盐浸泡FTO导电玻璃，将钛的化合物形成于FTO导电玻璃上，再复合三氧化二铁，该种方法制备得到的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极具有高光电催化分解水性能。此外，与现有技术中复合光电极的制备方法相比，本申请的复合光电极制备方法简单，实验条件易于控制，制备出的复合光电极在复合之前与复合之后的形貌差异较小，由此，对复合光电极的光电催化分解水性能的影响降为最低。根据本专利技术的方案，所述钛本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法，包括如下步骤：清洗FTO导电玻璃；将清洗后的FTO导电玻璃以导电面朝下的方式置入钛的无机盐水溶液中，在60‑80℃下浸泡10‑60min；取出浸泡后的所述FTO导电玻璃，并进行清洗，将清洗后的FTO导电玻璃在150‑200℃下加热10‑30min；将加热后的FTO导电玻璃置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，并将所述反应釜在60‑100℃下加热2‑5h；取出在反应釜中反应后的所述FTO导电玻璃，并进行清洗，将清洗后的FTO导电玻璃在500‑600℃下退火1‑3h，再在700‑800℃下退火10‑30min，制备得到纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极。
【技术特征摘要】
1.一种纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法，包括如下步骤：清洗FTO导电玻璃；将清洗后的FTO导电玻璃以导电面朝下的方式置入钛的无机盐水溶液中，在60-80℃下浸泡10-60min；取出浸泡后的所述FTO导电玻璃，并进行清洗，将清洗后的FTO导电玻璃在150-200℃下加热10-30min；将加热后的FTO导电玻璃置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，并将所述反应釜在60-100℃下加热2-5h；取出在反应釜中反应后的所述FTO导电玻璃，并进行清洗，将清洗后的FTO导电玻璃在500-600℃下退火1-3h，再在700-800℃下退火10-30min，制备得到纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极。2.根据权利要求1所述的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法，其中，所述将加热后的FTO导电玻璃置入盛有铁的无机盐和葡萄糖水溶液的反应釜中，是将加热后的FTO导电玻璃倾斜地置入盛有铁的无机盐和葡萄糖水溶液的反应釜中。3.根据权利要求2所述的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法，其中，所述钛的无机盐为四氯化钛、三氯化钛、硝酸钛和硫酸钛中的一种或多种的组合；所述铁的无机盐为氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硫酸亚铁和硫酸铁中的一种或多种的组合；所述矿化剂为葡萄糖、硝酸钠和尿素中的一种或多种的组合。4.根据权利要求2或3所述的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法，其中，所述钛的无机盐的摩尔浓度为1-40mmol/l；所述铁的无机盐的摩尔浓度为0.1-0.5mol/l；所述矿化剂的摩尔浓度为50-100mmol/l。5.根据权利要求2-4中任一项所述的纳米钛酸铁/三氧化二铁复合光电极的制备方法，其中，所述将清洗后的FTO导电玻璃在150-200℃下加热10-30min，是将清洗后的FTO导电玻璃放置在加热台上，在150-200℃下加热10-30min；所述将所述反应釜在60-100℃下加热2-5h，是将所述反应釜放置在干燥箱中，在60-100℃下加热2-5h；所述将清洗后的FTO导电玻璃在500-600℃下退火1-3h，再在700-800℃下退火10-30min，是将清洗后的FTO导电玻璃放置在马弗炉中，在500-600℃下退火1-3h，再在700-800℃下退火10-30min。6.一...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟俊，邓久军，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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