CN104617355B - 一种α‑Fe2O3的光阳极及其制备方法 - Google Patents

一种α‑Fe2O3的光阳极及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104617355B
CN104617355B CN201310538215.4A CN201310538215A CN104617355B CN 104617355 B CN104617355 B CN 104617355B CN 201310538215 A CN201310538215 A CN 201310538215A CN 104617355 B CN104617355 B CN 104617355B
Authority
CN
China
Prior art keywords
iron
light anode
layer
preparation
doping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310538215.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104617355A (zh
Inventor
李�灿
韩晶峰
王志亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhangjiagang Industry Technology Research Institute Co ltd Dalian Institute Of Chemical Physics Chinese Academy Of Sciences
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201310538215.4A priority Critical patent/CN104617355B/zh
Publication of CN104617355A publication Critical patent/CN104617355A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104617355B publication Critical patent/CN104617355B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M14/00—Electrochemical current or voltage generators not provided for in groups H01M6/00 - H01M12/00; Manufacture thereof
    • H01M14/005—Photoelectrochemical storage cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

本发明涉及以α‑Fe2O3为光吸收层，Fe3O4，FeO和Fe作为导电基底光阳极及其制备方法。采用直接高温快速氧化方法，制得同时包含导电基底的有或者无掺杂α‑Fe2O3光阳极。作为光活性层的有或者无掺杂的α‑Fe2O3与导电基底紧密接触，具有良好的光电催化活性，在AM1.5标准测试条件下，相对于可逆氢电极1.23V，可达0.63mA/cm2。不同于已公开报道的方法，该方法原料廉价易得，整个光电极制备过程快捷，易于大批量制备。该光电极可用于光电化学利用分解水制氢气、还原二氧化碳以及光催化降解有机物等用途。

Description

一种α-Fe2O3的光阳极及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用中光电化学过程的α-Fe2O3光阳极的一种结构及其制备方法。
背景技术
随着能源问题及由此而引起的环境问题的日益突出，太阳能作为一种可持续的清洁能源，其转化利用越来越受到人们重视。而光电化学作为转化利用太阳能的一种重要手段，其研究也取得了很好的进展。Fujishima和Honda首先报道了单晶TiO2光电极在外加偏压下实现光电化学分解水（Nature1972,238,37.），自此以后许多半导体材料被开发用作光阳极，如WO3（Chemical Communications2012,48,729-731），ZnO（Adv.Funct.Mater.2009,19,1849-1856），BiVO4（Chem.Commun.2003,2908-2909），α-Fe2O3（J.Electrochem.Soc.1979），TaON（Chem.Commun.2009,7137-7139），LaTiO2N（ChemicalCommunications2012,48,820-822），Ta3N5（Nano Lett.2010,10,948-952），Sm2Ti2S2O5（Journal of Catalysis2011,280,1-7），n-Si（J.Electrochem.Soc.1986,133,248-253），Zn1-xGaxO1-xNx（Bull.Chem.Soc.Jpn.2009,82,401-407）等。其中α-Fe2O3因其具有较宽的太阳光吸收，能带位置适宜，环境友好，储量丰富，性质稳定等优点得到了广泛的研究，目前制备α-Fe2O3光阳极的主要方法有常压化学气相沉积法，喷雾热分解法，溶液化学法，溶胶喷涂法等，这些方法首先将铁的前驱体蒸镀，旋涂，自组装于导电基底上，而后经过后处理，达到增加其与基底接触紧密程度，但这些方法制备的α-Fe2O3光阳极主要有以下两个问题：（1）导带位置低导致电子还原性不够而需加较大偏压，即开启电位过正；（2）制备方法多耗时，复杂且昂贵。
因此，本发明提出采用铁或含铁合金作为前驱体，直接高温快速氧化方法制得同时包含导电基底的α-Fe2O3光阳极具有很好的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温快速灼烧铁或者含铁合金，制得含导电基底的有或者无掺杂α-Fe2O3光阳极及其制备方法。
为实现上述目的，
一种α-Fe2O3的光阳极，以片状的铁或者含铁合金为基底，于基底表面从内至外依次制备有FeO层、Fe3O4层、α-Fe2O3表层构成光阳极，或于基底表面从内至外依次制备有掺杂的FeO层、掺杂的Fe3O4层、掺杂的α-Fe2O3表层，构成光阳极。
掺杂物质为Si，Ti，Mn，Sn，Cr，Ni，W，V，Mo，P，B，Nb和C中的一种或二种以上，掺杂量为0.001wt%-95wt%。
作为光活性层的有或者无掺杂的α-Fe2O3表层与导电基底紧密接触，具有良好的光响应和导电性；
所述导电基底包括从外至内依次叠合的Fe3O4层、FeO层及铁基底，或者从外至内依次叠合的掺杂的Fe3O4层、掺杂的FeO层及含铁合金基底。
所述光阳极的制备：采用片状铁或者含铁合金作为前驱体，直接高温快速氧化方法制得包含表层为有或者无掺杂α-Fe2O3光阳极；电极的制备采用高温灼烧铁片或者含铁合金片，温度控制1000-1500℃，焙烧0.5-10s，室温下冷却。
所述含铁合金为含有Si，Ti，Mn，Sn，Cr，Ni，W，V，Mo，P，B，Nb和C一种或多种元素，含量为0.001wt%-95wt%。
所述作为前驱体的铁包括含Fe为主要组分而掺有其他杂质，C（0.001wt%-8%），S（0.001wt%-0.5wt%）和Si（0.001wt%-0.5wt%）。
本发明采用氢火焰下高温灼烧铁片或者含铁合金，火焰温度控制1000-1500℃，灼烧0.5-10s，撤离火焰，室温下冷却。
与公知技术相比，本发明具有如下特点：高温下铁片快速氧化，快速退火可以得到具有高结晶度的有或者无掺杂α-Fe2O3；未完全氧化的铁物种Fe3O4，FeO和Fe充当导电基底，其光吸收层结合紧密。同时具有成本低廉，制备时间短和易于大规模扩展的特点。
附图说明
图1(a)为实施例1制得样品的XRD图，显示了α-Fe2O3相、Fe3O4相和FeO相；图1(b)为该样品表面扫描电镜图。
图2为实施例1制得光电极在1M NaOH电解质溶液中，光照下和暗态的线性伏安扫描光电化学响应，对电极为2cm×2cm铂片，参比电极为饱和甘汞电极，扫描范围-0.6V-0.6V，扫描速度20mV/s，光源为太阳能模拟器AM1.5，能量密度100mW/cm2。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，列举以下实施实例。
实施例1
金属Fe片（质量纯度99.995%）（5mm×10mm×0.5mm1片）置于丙酮中超声清洗20分钟，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干。调整氢气和氧气比例，控制氢火焰在1400℃。将铁片一头用镊子夹住置于氢火焰中，保持1s。快速取出，在室温下冷却，得金属Fe片从内向外依次带有FeO层、Fe3O4层、α-Fe2O3表层的光阳极，主体呈蓝色，表面略显黄色。
结合RAMAN光谱和SEM分析，证明金属Fe片从内向外依次带有FeO层、Fe3O4层、α-Fe2O3表层。
实施例2
金属Fe片（质量纯度99.99%）（5mm×10mm×0.5mm1片）置于丙酮中超声清洗20分钟，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干。调整氢气和氧气比例，控制氢火焰在1400℃。将铁片一头用镊子夹住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室温下冷却，得金属Fe片从内向外依次带有FeO层、Fe3O4层、α-Fe2O3表层的光阳极，主体呈蓝色，表面略显黄色。
实施例3
金属Fe片（质量纯度99.5%）（5mm×10mm×0.5mm1片）置于丙酮中超声清洗20分钟，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干。调整氢气和氧气比例，控制氢火焰在1400℃。将铁片一头用镊子夹住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室温下冷却，得金属Fe片从内向外依次带有FeO层、Fe3O4层、α-Fe2O3表层的光阳极，主体呈蓝色，表面略显黄色。
实施例4
硅铁合金片（Si质量含量3%）（5mm×10mm×1mm1片）置于丙酮中超声清洗20分钟，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干。调整氢气和氧气比例，控制氢火焰在1400℃。将铁片一头用镊子夹住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室温下冷却，得金属Fe片从内向外依次带有Si掺杂的FeO层、Si掺杂的Fe3O4层、Si掺杂的α-Fe2O3表层的光阳极，主体呈蓝色，表面略显黄色。
实施例5
市售熟铁片（含0.001wt%<碳量<0.02wt%）（5mm×10mm×1mm1片）置于丙酮中超声清洗20分钟，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干。调整氢气和氧气比例，控制氢火焰在1400℃。将铁片一头用镊子夹住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室温下冷却，得金属Fe片从内向外依次带有掺杂的FeO层、掺杂的Fe3O4层、掺杂的α-Fe2O3表层的光阳极，主体呈蓝色，表面略显黄色。
实施例6
市售GB0Cr18Ni9不锈钢片（5mm×10mm×1mm1片）置于丙酮中超声清洗20分钟，取出后用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干。调整氢气和氧气比例，控制氢火焰在1400℃。将铁片一头用镊子夹住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室温下冷却，得金属Fe片从内向外依次带有CrNi掺杂的FeO层、CrNi掺杂的Fe3O4层、CrNi掺杂的α-Fe2O3表层的光阳极，主体呈蓝色，表面略显黄色。
本发明涉及以α-Fe2O3为光吸收层，Fe3O4，FeO和Fe作为导电基底光阳极及其制备方法。采用直接高温快速氧化方法，制得同时包含导电基底的有或者无掺杂α-Fe2O3光阳极。作为光活性层的有或者无掺杂的α-Fe2O3与导电基底紧密接触，具有良好的光电催化活性，在AM1.5标准测试条件下，相对于可逆氢电极1.23V，可达0.63mA/cm2。不同于已公开报道的方法，该方法原料廉价易得，整个光电极制备过程快捷，易于大批量制备。该光电极可用于光电化学利用分解水制氢气、还原二氧化碳以及光催化降解有机物等用途。
本领域技术人员容易理解在不脱离上述说明书中公开的材料和方法的思想的条件下可对本发明进行组合或改变，认为这种改变包括在本发明的范围内。因此，在上文具体描述的特别实施方案仅是说明性的，而不限制本发明的范围，由附加权利要求和其任何及全部等同方式给出本发明的完全范围。

Claims (6)

1.一种α-Fe2O3的光阳极，其特征在于：以片状的铁或者含铁合金为基底，于基底表面从内至外依次制备有FeO层、Fe3O4层、α-Fe2O3表层构成光阳极，或于基底表面从内至外依次制备有掺杂的FeO层、掺杂的Fe3O4层、掺杂的α-Fe2O3表层，构成光阳极；
采用片状铁或者含铁合金作为前驱体，直接高温快速氧化方法制得包含表层为有或者无掺杂α-Fe2O3光阳极；
电极的制备采用高温灼烧铁片或者含铁合金片，温度控制1000-1500℃，焙烧0.5-10s，室温下冷却。
2.如权利要求1所述的光阳极，其特征在于：
掺杂物质为Si，Ti，Mn，Sn，Cr，Ni，W，V，Mo，P，B，Nb和C中的一种或二种以上，掺杂量为0.001wt％-95wt％。
3.如权利要求1所述的光阳极，其特征在于：
作为光活性层的有或者无掺杂的α-Fe2O3表层与导电基底紧密接触，具有良好的光响应和导电性；
所述导电基底包括从外至内依次叠合的Fe3O4层、FeO层及铁基底，或者从外至内依次叠合的掺杂的Fe3O4层、掺杂的FeO层及含铁合金基底。
4.一种权利要求1-3任一所述光阳极的制备方法，其特征在于：
采用片状铁或者含铁合金作为前驱体，直接高温快速氧化方法制得包含表层为有或者无掺杂α-Fe2O3光阳极；
电极的制备采用高温灼烧铁片或者含铁合金片，温度控制1000-1500℃，焙烧0.5-10s，室温下冷却。
5.按照权利要求4所述光阳极的制备方法，其特征在于：
所述含铁合金为含有Si，Ti，Mn，Sn，Cr，Ni，W，V，Mo，P，B，Nb和C一种或多种元素，含量为0.001wt％-95wt％。
6.按照权利要求4所述光阳极的制备方法，其特征在于：
所述作为前驱体的铁包括含Fe为主要组分而掺有其他杂质，0.001wt％-8％的C，0.001wt％-0.5wt％的S和0.001wt％-0.5wt％的Si。
CN201310538215.4A 2013-11-04 2013-11-04 一种α‑Fe2O3的光阳极及其制备方法 Active CN104617355B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310538215.4A CN104617355B (zh) 2013-11-04 2013-11-04 一种α‑Fe2O3的光阳极及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310538215.4A CN104617355B (zh) 2013-11-04 2013-11-04 一种α‑Fe2O3的光阳极及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104617355A CN104617355A (zh) 2015-05-13
CN104617355B true CN104617355B (zh) 2017-09-26

Family

ID=53151706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310538215.4A Active CN104617355B (zh) 2013-11-04 2013-11-04 一种α‑Fe2O3的光阳极及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104617355B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106676565B (zh) * 2016-12-09 2019-03-12 吉林大学 一种Fe2-xTixO3/FTO光阳极制备技术及提高其光电流密度的处理方法
CN111346641A (zh) * 2020-04-14 2020-06-30 天津大学 掺杂α-三氧化二铁及其制备方法和在加氢反应中的应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102311153A (zh) * 2010-07-08 2012-01-11 同济大学 铁基Fe2O3纳米管在可见光催化降解染料废水中的应用

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102311153A (zh) * 2010-07-08 2012-01-11 同济大学 铁基Fe2O3纳米管在可见光催化降解染料废水中的应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
α-Fe2O3纳米结构的制备及光电性质研究;史占花;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20121015(第10期);第23-34页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104617355A (zh) 2015-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jeon et al. Ultra-efficient and durable photoelectrochemical water oxidation using elaborately designed hematite nanorod arrays
Kment et al. Photoanodes based on TiO 2 and α-Fe 2 O 3 for solar water splitting–superior role of 1D nanoarchitectures and of combined heterostructures
Kim et al. Awakening solar water‐splitting activity of ZnFe2O4 nanorods by hybrid microwave annealing
Kment et al. FeO-based nanostructures and nanohybrids for photoelectrochemical water splitting
Courtin et al. New Fe 2 TiO 5-based nanoheterostructured mesoporous photoanodes with improved visible light photoresponses
CN108103525B (zh) 氮掺杂碳点修饰三氧化钨复合光电极及其制备方法、和在光电催化分解水中的应用
Yang et al. Enhanced photoelectrochemical water oxidation on WO3 nanoflake films by coupling with amorphous TiO2
Wang et al. Polyaniline as a new type of hole-transporting material to significantly increase the solar water splitting performance of BiVO4 photoanodes
Ramakrishnan et al. Cobalt oxide nanoparticles on TiO 2 nanorod/FTO as a photoanode with enhanced visible light sensitization
Ge et al. Photocathodic protection of 304 stainless steel by MnS/TiO2 nanotube films under simulated solar light
Huerta-Flores et al. Enhanced photoelectrochemical water splitting on heterostructured α-Fe2O3-TiO2: X (X= Co, Cu, Bi) photoanodes: Role of metal doping on charge carrier dynamics improvement
Song et al. Novel TiO 2/Sb 2 S 3 heterojunction with whole visible-light response for photoelectrochemical water splitting reactions
CN106653936A (zh) 一种Ta3N5光电极及其制备方法
Tolod et al. Visible light-driven catalysts for water oxidation: towards solar fuel biorefineries
Tang et al. Preparation of an Fe-doped visible-light-response TiO2 film electrode and its photoelectrocatalytic activity
Liu et al. Pulsed laser/electrodeposited CuBi2O4/BiVO4 pn heterojunction for solar water splitting
Hong et al. Preparation and enhanced photoelectrochemical performance of selenite-sensitized zinc oxide core/shell composite structure
CN105039938A (zh) 一种单源前驱体制备α-氧化铁薄膜的光电极的方法
Guo et al. Effective photocathodic protection for 304 stainless steel by PbS quantum dots modified TiO2 nanotubes
CN108193219B (zh) 磷化铜修饰二氧化钛光电极及其制备方法和在光电催化分解水中的应用
CN104525209B (zh) 氧化铁—铁酸锌异质结薄膜及其制备方法和在光催化中的应用
Kim et al. Facile and controllable surface-functionalization of TiO2 nanotubes array for highly-efficient photoelectrochemical water-oxidation
Rosas-Laverde et al. Performance of graphene oxide-modified electrodeposited ZnO/Cu2O heterojunction solar cells
Huang et al. Low-cost processed antimony sulfide nanocrystal photoanodes with increased efficiency and stability
Hwang et al. Bismuth vanadate photoanode synthesized by electron-beam evaporation of a single precursor source for enhanced solar water-splitting

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210223

Address after: Room 207, Building A, Emerging Industry Development Center, Zhangjiagang Free Trade Zone, Suzhou City, Jiangsu Province

Patentee after: ZHANGJIAGANG INDUSTRY TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. DALIAN INSTITUTE OF CHEMICAL PHYSICS CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Patentee after: DALIAN INSTITUTE OF CHEMICAL PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Address before: 116023 No. 457, Zhongshan Road, Liaoning, Dalian

Patentee before: DALIAN INSTITUTE OF CHEMICAL PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES