一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法，涉及钒酸铋光电阳极制备技术领域。本发明专利技术将硝酸铋与油酸、油胺和非极性溶剂混合，在氮气气氛和170～175℃条件下反应，得到油酸铋和油胺铋的混合溶液；将油酸铋和油胺铋的混合溶液冷却至130～140℃，与偏钒酸铵和仲钼酸铵的混合水溶液混合，在90～100℃条件下反应，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子；将钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶于氯苯，得到的钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液旋涂在FTO导电玻璃表面，干燥后进行退火处理，得到钒酸铋光电阳极。由本发明专利技术方法制备的钒酸铋光电阳极具有低的反射率和高的透过率，且钒酸铋纯度高，所得钒酸铋光电阳极光催化性能优异。

Preparation of bismuth vanadate photoanode by spin coating with nano particles

【技术实现步骤摘要】
一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法
本专利技术涉及钒酸铋光电阳极制备
，特别涉及一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法。
技术介绍
随着化石能源的不断消耗与人类日益增大的能源需求，迫切需要开发各类新型能源。将太阳能转换成氢能的光电化学(PEC)水分解是一种简单、低成本且有效的太阳能利用方法。PEC设备通常包括两个光电电极，一个光电阳极和一个光电阴极。在光照和偏压下，光生电子和空穴可以分离并参与两个电极上水的氧化和还原过程。因此，光电极的质量直接影响PEC器件的性能。由于在光电阳极上发生的氧化反应比在光电阴极上发生的还原反应更困难，因此针对光电阳极材料展开了大量的研究。钒酸铋(BiVO4)具有优异的光催化活性，已被广泛用作PEC光电阳极材料。根据带隙计算，BiVO4光电阳极在标准太阳光(AM1.5G)光照下的理论最大光电流密度可以达到7.5毫安每平方厘米。目前，BiVO4光电阳极的制备通常采用两种方法，包括电化学方法和金属有机分解方法。电化学方法需要先在基底上通过电化学沉积过程得到碘氧化铋片状结构，然后再与乙酰丙酮氧钒进行离子交换反应，得到钒酸铋光电阳极，这种方法操作繁琐，而且得到的光电阳极通常反射率高、透过率低，不利于实际应用。金属有机分解法是将铋和钒的前驱体直接混合旋涂到基底上并进一步退火得到钒酸铋光电阳极，该方法虽然操作简便，光电阳极的透过率也有所提高，但是前驱体中的钒源(通常为乙酰丙酮氧钒)在退火过程中存在挥发或升华的可能，导致产物不纯，进而影响光电阳极的催化性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法。由本专利技术提供的方法制备得到的钒酸铋光电阳极具有低的反射率和高的透过率，且钒酸铋的纯度高，所得钒酸铋光电阳极光催化性能优异。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法，包括以下步骤：(1)将硝酸铋与油酸、油胺和非极性溶剂混合，在氮气气氛和170～175℃条件下反应，得到油酸铋和油胺铋的混合溶液；所述非极性溶剂为十八烯、二苄醚或液体石蜡；所述硝酸铋、油酸和油胺的用量比为1mmol:1～3mL:1～3mL；(2)将所述油酸铋和油胺铋的混合溶液冷却至130～140℃，然后与偏钒酸铵和仲钼酸铵的混合水溶液混合，在90～100℃条件下反应，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子；(3)将所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶于氯苯中，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液；(4)将所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液旋涂在FTO导电玻璃表面，干燥后，将所得FTO导电玻璃涂层进行退火处理，得到钒酸铋光电阳极。优选地，所述步骤(2)中偏钒酸铵和仲钼酸铵与步骤(1)中的硝酸铋的摩尔比为1～2:0～0.0058:1。优选地，所述步骤(2)中反应后，还包括对所得反应液进行纯化；所述纯化包括以下步骤：(a)将步骤(2)所得反应液冷却至室温，然后向反应液中加入乙醇，静置分层，得到上层有机相和下层水相，除去下层水相；(b)在所述有机相中加入丙酮，然后进行第一离心，得到第一沉淀物；(c)在所述第一沉淀物中依次加入氯仿和乙醇，然后进行第二离心，得到的第二沉淀物为钼掺杂钒酸铋纳米粒子。优选地，所述步骤(3)中钒酸铋纳米粒子的平均粒径为6nm；所述钒酸铋纳米粒子溶液的浓度为100～200μg/mL。优选地，所述步骤(4)中旋涂的转速为1000～4000r/min，旋涂的次数为1～3次，每次旋涂的时间为20～60s，每次旋涂后均对湿涂层进行干燥。优选地，所述步骤(4)中干燥的温度为400℃，干燥的时间为2～10min。优选地，所述步骤(4)中退火处理的方法为：将FTO导电玻璃涂层以50℃/min的升温速率升温至550℃，进行第一保温；然后将第一保温后冷却至室温的FTO导电玻璃涂层以10℃/min的升温速率升温至400～500℃，进行第二保温；再将第二保温后冷却至室温的FTO导电玻璃涂层以10℃/min的升温速率升温至300～400℃，进行第三保温；所述第一保温的时间为30～90min，所述第二保温的时间为60～150min，所述第三保温的时间为30～120min，所述第三保温在氮气气氛中进行。优选地，所述步骤(4)在退火处理后，还包括：将退火后的FTO导电玻璃涂层浸泡在氯化钴的磷酸缓冲溶液中，然后用AM1.5标准太阳光对浸泡在氯化钴的磷酸缓冲溶液中的FTO导电玻璃涂层进行光照。优选地，所述氯化钴的磷酸缓冲溶液中氯化钴的浓度为0.1～0.5mmol/L，磷酸根的浓度为0.1mol/L；所述氯化钴的磷酸缓冲溶液的pH值为7.2。优选地，所述光照的时间为10～30min。本专利技术提供了一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法，包括以下步骤：(1)将硝酸铋与油酸、油胺和非极性溶剂混合，在氮气气氛和170～175℃条件下反应，得到油酸铋和油胺铋的混合溶液；所述非极性溶剂为十八烯、二苄醚或液体石蜡；(2)将所述油酸铋和油胺铋的混合溶液冷却至130～140℃，然后与偏钒酸铵和仲钼酸铵的混合水溶液混合，在90～100℃条件下反应，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子；(3)将所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶于氯苯中，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液；(4)将所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液旋涂在FTO导电玻璃表面，干燥后，将所得FTO导电玻璃涂层进行退火处理，得到钒酸铋光电阳极。本专利技术先合成钒酸铋纳米粒子溶液，然后将钒酸铋纳米粒子溶液旋涂在FTO导电玻璃上经退火处理，得到钒酸铋光电阳极。本专利技术采用旋涂的方法可以在基底上得到更加平整的钒酸铋涂层薄膜，使得到的钒酸铋光电阳极具有低的反射率和高的透过率；因为旋涂的是合成好的钒酸铋纳米粒子溶液，已经反应生成的钒酸铋中的钒不再具有挥发或升华的可能，在退火处理后可以得到纯的钒酸铋；并且旋涂的方法操作更加简便。由本专利技术提供的方法制备得到的钒酸铋光电阳极具有低的反射率和高的透过率，且钒酸铋的纯度高，所得钒酸铋光电阳极光催化性能优异。实施例结果表明，由本专利技术方法制备的钒酸铋光电阳极透明度高，对可见光谱的反射率为20～30％，在长波长区域的透过率可以达到60～70％，在相对于标准氢电极1.23V外加电压下的氧化亚硫酸钠和氧化水的电流密度分别可达到4.15毫安每平方厘米和2.50毫安每平方厘米。附图说明图1是实施例1得到的钒酸铋纳米粒子的透射电镜图；图2是实施例1得到的钒酸铋纳米粒子的XRD谱图；图3是实施例1得到的钒酸铋光电阳极的室光照片；图4是实施例1得到的钒酸铋光电阳极的XRD谱图；图5是实施例1得到的钒酸铋光电阳极的扫描电镜图；图6是实施例1得到的钒酸铋光电阳极的截面的扫描电镜图；图7是实施例1得到的钒酸铋光电阳极的反射光谱图；图8是实施例1得到的钒酸铋光电阳极的透过光谱图；图9是实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法，包括以下步骤：/n(1)将硝酸铋与油酸、油胺和非极性溶剂混合，在氮气气氛和170～175℃条件下反应，得到油酸铋和油胺铋的混合溶液；所述非极性溶剂为十八烯、二苄醚或液体石蜡；所述硝酸铋、油酸和油胺的用量比为1mmol:1～3mL:1～3mL；/n(2)将所述油酸铋和油胺铋的混合溶液冷却至130～140℃，然后与偏钒酸铵和仲钼酸铵的混合水溶液混合，在90～100℃条件下反应，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子；/n(3)将所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶于氯苯中，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液；/n(4)将所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液旋涂在FTO导电玻璃表面，干燥后，将所得FTO导电玻璃涂层进行退火处理，得到钒酸铋光电阳极。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用纳米粒子溶液旋涂制备钒酸铋光电阳极的方法，包括以下步骤：
(1)将硝酸铋与油酸、油胺和非极性溶剂混合，在氮气气氛和170～175℃条件下反应，得到油酸铋和油胺铋的混合溶液；所述非极性溶剂为十八烯、二苄醚或液体石蜡；所述硝酸铋、油酸和油胺的用量比为1mmol:1～3mL:1～3mL；
(2)将所述油酸铋和油胺铋的混合溶液冷却至130～140℃，然后与偏钒酸铵和仲钼酸铵的混合水溶液混合，在90～100℃条件下反应，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子；
(3)将所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶于氯苯中，得到钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液；
(4)将所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液旋涂在FTO导电玻璃表面，干燥后，将所得FTO导电玻璃涂层进行退火处理，得到钒酸铋光电阳极。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中偏钒酸铵和仲钼酸铵与步骤(1)中硝酸铋的摩尔比为1～2:0～0.0058:1。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中反应后，还包括对所得反应液进行纯化；所述纯化包括以下步骤：
(a)将步骤(2)所得反应液冷却至室温，然后向反应液中加入乙醇，静置分层，得到上层有机相和下层水相，除去下层水相；
(b)在所述有机相中加入丙酮，然后进行第一离心，得到第一沉淀物；
(c)在所述第一沉淀物中依次加入氯仿和乙醇，然后进行第二离心，得到的第二沉淀物为钼掺杂钒酸铋纳米粒子。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中钼掺杂钒酸铋纳米粒子的平均粒径为6nm；所述钼掺杂钒酸铋纳米粒子溶液的浓度为100～200μg/...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘轶，王泽，王子栋，董春伟，杨柏，张皓，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22