一种钒酸铋光电极的改性方法技术

本发明专利技术属于光电极领域，具体涉及一种钒酸铋光电极的改性方法，在钒酸铋光电极表面原子层沉积氧化铝后，再将所述氧化铝去除，得到钝化后的钒酸铋光电极即为改性后的钒酸铋光电极。采用上述方案，通过在BiVO

【技术实现步骤摘要】
一种钒酸铋光电极的改性方法
本专利技术属于光电极领域，具体涉及一种钒酸铋光电极的改性方法。
技术介绍
作为一种带隙适中的氧化物半导体，BiVO4是一种极具潜力的光电催化材料，然而它的潜能目前还未被完全开发，其缓慢的半导体电极/电解液界面反应动力学是其中的一个重要影响因素。针对钒酸铋光电极的表面性质的改善，其中抑制体相复合、电荷传输速率以及载流子在相界面的迁移等因素是需要着重考虑的。作为一种氧化物半导体，与Fe2O3等类似，BiVO4半导体晶格中是存在许多缺陷的，氧空位和晶格无序等是造成表面缺陷的主要原因，目前基于Fe2O3表面缺陷的研究及其优化改性已有较为深入和广泛的展开，然而针对BiVO4表面缺陷的改性研究却相对匮乏。基于BiVO4光电极的优化改性研究目前大多集中于掺杂、助催化剂负载及异质结复合等，针对其表面态钝化相关的工作并不多见。例如Liang等人(LiangYQ,MessingerJ.ImprovingBiVO4photoanodesforsolarwatersplittingthroughsurfacepassivation[J].PhysicalChemistryChemicalPhysics,2014,16(24):12014-12020.)通过电化学负载及后续移除BiVO4表面的NiOx深入研究了BiVO4-H2O界面过程，NiOx的部分移除提高了其光电化学性能，在1.23Vvs.RHE时450nm处的IPCE达到了43％。该文认为，表面负载的NiOx具有异质性，有三种存在形式，分别是析氧催化中心、载流子复合中心和表面钝化中心，而经电化学处理后，只留下了部分表面钝化中心于BiVO4表面，因而BiVO4表面钝化和光电化学性能的提升非常有限。Eisenberg等人(EisenbergD,AhnHS,BardAJ.EnhancedPhotoelectrochemicalWaterOxidationonBismuthVanadatebyElectrodepositionofAmorphousTitaniumDioxide[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2014,136(40):14011-14014.)在W掺杂的BiVO4表面电沉积一层非晶TiO2，光电流效率提升了5.5倍，光电流起始电位提前了500mV。然而非晶TiO2本身是不具备光响应和光电化学活性的，作者分析认为其起到了抑制表面复合及对表面缺陷的钝化作用，从而提升了光电化学效率。尽管目前已经有部分工作针对钒酸铋光电极的表面钝化展开，但相关研究仍处于初级阶段，仍需进一步深入探索其表面钝化机理。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钒酸铋光电极的改性方法，以提高钒酸铋光电极的光电化学效率。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种钒酸铋光电极的改性方法，在钒酸铋光电极表面原子层沉积氧化铝后，再将所述氧化铝去除，得到钝化后的钒酸铋光电极即为改性后的钒酸铋光电极。采用上述方案，通过在BiVO4光电极表面沉积Al2O3氧化层，再进一步经过化学溶液处理去除氧化层，获得了表面钝化的BiVO4薄膜光电极。表面钝化后，光生电子空穴对不再倾向于在表面态处复合，从而起到了抑制载流子复合的作用，因而载流子寿命增加，促进了表面催化反应的进行，提高了光电化学效率。其中，所述在钒酸铋光电极表面原子层沉积氧化铝的方法为：将钒酸铋光电极置于ALD设备反应腔中，以三甲基铝为前驱体源、等离子体氧为氧源，在温度为140～160℃、等离子体功率为180～220W条件下进行反应，反应循环次数为1～100，直至钒酸铋光电极表面生成Al2O3氧化层后，停止反应；优选反应温度为150℃、等离子体功率为200W。所述ALD设备参数设定如下：前驱体源进样时间0.02s，反应时间1s，吹扫时间120s；等离子体处理时间30s，吹扫时间100s。所述去除氧化铝的方法为：将表面形成氧化铝薄膜的钒酸铋光电极置于碱液中浸泡，优选在浓度为1M的氢氧化钠水溶液中浸泡，直至氧化铝薄膜完全溶解后，取出钒酸铋电极，用去离子水洗净、晾干。所述钒酸铋光电极的制备方法为：S1、以至少含有Bi(NO3)3、KI以及对苯醌的混合溶液为电沉积溶液，在FTO为工作电极、Ag/AgCl为参比电极、铂为对电极的三电极体系下进行电沉积，得到红色片状BiOI薄膜；S2、将0.2M的VO(acac)2-二甲亚砜溶液均匀滴涂于步骤S1所得BiOI薄膜上后，置于马弗炉中在420～480℃条件下热处理1～3小时，取出并冷却；S3、将步骤S2所得薄膜用氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水洗净、吹干，即得纯净纳米多孔BiVO4薄膜。具体地，所述步骤S1中，电沉积溶液配置方法为：将0.2～0.6M的Bi(NO3)3和2～6M的KI溶于去离子水中后，用浓度为1M的硝酸溶液调节pH至1.5～2，得到溶液A；将对苯醌在剧烈搅拌下溶于无水乙醇得到浓度为0.20～0.30M的对苯醌-无水乙醇溶液，记为溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀即为所述电沉积溶液。所述步骤S2中，将VO(acac)2-乙醇溶液滴涂于BiOI薄膜上，将BiOI薄膜置于马弗炉中在450℃条件下热处理2小时，反应结束后取出，自然冷却至室温。这一过程中BiOI薄膜反应后转化为表面具有V2O5氧化层的BiVO4薄膜。所述步骤S3中，热处理后的薄膜浸入1M的氢氧化钠溶液搅拌清洗，再用去离子水冲洗后用氮气吹干，即得纯净纳米多孔BiVO4薄膜。用氢氧化钠清洗是为了洗除BiVO4薄膜表面的V2O5，得到纯净的纳米多孔BiVO4薄膜。上述方案，针对BiVO4光电极存在的表面缺陷，并且表面缺陷主要组成部分为氧空位，因此可以通过覆盖金属氧化物薄层在其表面，以降低表面氧空位浓度，从而实现表面态钝化作用。采用等离子体增强原子层沉积法将非晶Al2O3负载于纳米多孔BiVO4表面，经过碱性溶液化学处理后，去除了表面的Al2O3，这一过程中BiVO4光电极实现了表面钝化，使得光电极的光电化学性能获得了明显的提升。附图说明图1为Al2O3原子层沉积前后的BiVO4薄膜XRD谱图；图2为Al2O3原子层沉积前后的BiVO4薄膜SEM图片；图3为不同循环周期Al2O3原子层沉积前后的BiVO4薄膜光电流-电压曲线；图4为Al2O3原子层沉积及化学处理前后的BiVO4薄膜XPS谱图；图5-7为表面钝化前后BiVO4光电极的光电流-电压曲线，ALD循环分别为1,10,100；图8为表面钝化前后BiVO4光电极的电化学阻抗谱；图9为表面钝化BiVO4光电极的等效电路图；图10为表面钝化BiVO4的稳态荧光光谱；图11为表面钝化作用机理示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步详述。一、实施例1、试剂和仪器设备试剂：五水合硝酸铋(B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钒酸铋光电极的改性方法：其特征在于：在钒酸铋光电极表面原子层沉积氧化铝后，再将所述氧化铝去除，得到钝化后的钒酸铋光电极即为改性后的钒酸铋光电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种钒酸铋光电极的改性方法：其特征在于：在钒酸铋光电极表面原子层沉积氧化铝后，再将所述氧化铝去除，得到钝化后的钒酸铋光电极即为改性后的钒酸铋光电极。


2.根据权利要求1所述钒酸铋光电极的改性方法，其特征在于：所述在钒酸铋光电极表面原子层沉积氧化铝的方法为：将钒酸铋光电极置于ALD设备反应腔中，以三甲基铝为前驱体源、等离子体氧为氧源，在温度为140-160℃、等离子体功率为180-220W条件下进行反应，反应循环次数为1～100，直至钒酸铋光电极表面生成Al2O3氧化层后，停止反应。


3.根据权利要求2所述钒酸铋光电极的改性方法，其特征在于：所述ALD设备参数设定如下：
前驱体源进样时间0.02s，反应时间1s，吹扫时间120s；
等离子体处理时间30s，吹扫时间100s。


4.根据权利要求2所述钒酸铋光电极的改性方法，其特征在于：反应温度为150℃、等离子体功率为200W。


5.根据权利要求1所述钒酸铋光电极的改性方法，其特征在于：所述去除氧化铝的方法为：将表面形成氧化铝薄膜的钒酸铋光电极置于碱液中浸泡，直至氧化铝薄膜完全溶解后，取出钒酸铋电极，用去离子水洗净、晾干。


6.根据权利要求5所述钒酸铋光电极的改性方法，其特征在于：所述碱液为浓度1M的氢氧化钠水溶液。


7.根据权利要求1所述钒酸铋光电极的改性方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：万小康，许运博，王献云，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34