CN107604344A - 一种用于光电催化的CaBi2O4薄膜电极的制备方法 - Google Patents

一种用于光电催化的CaBi2O4薄膜电极的制备方法 Download PDF

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王轩
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Abstract

本发明属于材料制备领域，公开了用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法。首先采用溶胶凝胶法制备CaBi2O4前驱体；然后使用水热法在ITO导电玻璃基地上生成CaBi2O4，经洗涤干燥后，进行退火处理，最后得到CaBi2O4薄膜。本发明提供的制备CaBi2O4薄膜的方法简单易操作，具有实际的可行性和工业应用前景，且制备的CaBi2O4薄膜成本低，无污染。

Description

一种用于光电催化的CaBi2O4薄膜电极的制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，尤其是一种用于光电催化的CaBi2O4薄膜电极材料的制备方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，能源消耗急剧增加，人类正面临着传统化石能源的短缺和环境污染等问题。氢能作为清洁高效的二次能源，具有广阔的应用前景；近年来，光电催化水解作为一种可以将太阳能转化成化学能，并以氢气和氧气的形式存储的有效途径，受到了人们的广泛关注和深入研究。在1972年，Fujishima和Honda首次报道了TiO2作为半导体电极用于光电催化水解，成功的把光能转换成化学能存储。自此，太阳光能光解水产氢的研究在理论及应用上都步入了新的纪元。
在光电催化水解过程中，半导体光电极吸收适当能量的光子，发生光生电子跃迁，生成电子和空穴，并转移到光电极/电解质表面与水发生还原/氧化反应分别生成氢气/氧气。将太阳光能通过光化学反应转化为化学能，是太阳光催化分解水制氢的最终目的，作为一种清洁而且能够实现可持续发展的利用太阳能的方式其技术核心是开发高效、稳定的光催化材料。从光解水产氢的机理和其反应过程来看，若要开发出对可见光响应且高效稳定的光催化电极材料，必须同时满足三个条件：①半导体电极材料必须具有合适的带隙及倒价带位置；②光生电子和空穴分离和传输效率高，抑制其在传输途中及表面复合；③材料耐久性好。除了以上两个条件之外，还需要相应的能够迁移到催化剂表面上的反应位点，以产生H2与O2。
因此，除了用方法促进光生电子与空穴的分离、增加光生载流子的利用率以外，开发可以响应可见光，具有能有效抑制光生电子和空穴复合的新型光催化材料也是一种提高太阳光能分解水产氢效率的策略。在众多半导体材料当中，具有特殊电子结构的碱土金属铋酸盐CaBi2O4可以吸收可见光并促进光生电子空穴的移动，具有较好的光电催化应用前景。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种小型休闲农庄系统。
本发明的技术方案是：一种用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：制备CaBi2O4前驱体溶液；
将硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]和乙二胺四乙酸溶于去离子水中，使其发生络合反应得到透明溶液一；同时将硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]加入乙二醇中，搅拌得到透明溶液二；然后将溶液一与溶液二混合，得到透明的前驱体溶液；
步骤二：采用水热法，在ITO导电玻璃基底上生成CaBi2O4，洗涤干燥；
步骤三：将CaBi2O4薄膜置于马弗炉中进行退火处理，最后得到CaBi2O4薄膜。
进一步的，所述步骤一中的工艺参数为：
将0.6-1.2g硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]和0.8～1.6g乙二胺四乙酸溶于50ml去离子水中，60℃搅拌30min，使其充分发生络合反应得到透明溶液一；同时将2.5～5g的硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]加入50ml的乙二醇中，搅拌得到透明溶液二；然后将溶液一与溶液二混合，并用浓氨水调节其pH至7.0，得到透明的前驱体溶液，其浓度为0.03～0.05mol·L-1。
进一步的，所述步骤二中的工艺参数为：
首先，将洗净的ITO导电玻璃放入水热釜的聚四氟乙烯内胆中；其次，加入所述步骤一中配置好的CaBi2O4前驱体溶液，密封；最后，在180℃条件下，水热12h，冷却后先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水洗净烘干。
进一步的，所述步骤三中的工艺参数为：
将所述步骤二得到的CaBi2O4薄膜置于马弗炉中进行退火处理，以2℃/min升温至400℃保温4h，自然冷却至室温，得到CaBi2O4薄膜。
进一步的，所述前驱体溶液中硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]与乙二胺四乙酸的摩尔比为1:1。
进一步的，所述前驱体溶液中硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]与硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]的摩尔比为1:2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所获得的CaBi2O4纳米薄膜材料作为光电极，经各种测试后，发现其响应可见光且光电催化水解性能良好。
(2)本发明提供的制备方法简单易操作，具有实际的可行性，且制备的的CaBi2O4纳米薄膜成本低，无污染。
附图说明
图1为本发明的CaBi2O4纳米薄膜的电镜扫描图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：制备CaBi2O4前驱体溶液；
将硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]和乙二胺四乙酸溶于去离子水中，使其发生络合反应得到透明溶液一；同时将硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]加入乙二醇中，搅拌得到透明溶液二；然后将溶液一与溶液二混合，得到透明的前驱体溶液；
步骤二：采用水热法，在ITO导电玻璃基底上生成CaBi2O4，洗涤干燥；
步骤三：将CaBi2O4薄膜置于马弗炉中进行退火处理，最后得到CaBi2O4薄膜。
进一步的，所述步骤一中的工艺参数为：
将0.6-1.2g硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]和0.8～1.6g乙二胺四乙酸溶于50ml去离子水中，60℃搅拌30min，使其充分发生络合反应得到透明溶液一；同时将2.5～5g的硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]加入50ml的乙二醇中，搅拌得到透明溶液二；然后将溶液一与溶液二混合，并用浓氨水调节其pH至7.0，得到透明的前驱体溶液，其浓度为0.03～0.05mol·L-1。
进一步的，所述步骤二中的工艺参数为：
首先，将洗净的ITO导电玻璃放入水热釜的聚四氟乙烯内胆中；其次，加入所述步骤一中配置好的CaBi2O4前驱体溶液，密封；最后，在180℃条件下，水热12h，冷却后先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水洗净烘干。
进一步的，所述步骤三中的工艺参数为：
将所述步骤二得到的CaBi2O4薄膜置于马弗炉中进行退火处理，以2℃/min升温至400℃保温4h，自然冷却至室温，得到CaBi2O4薄膜。
进一步的，所述前驱体溶液中硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]与乙二胺四乙酸的摩尔比为1:1。
进一步的，所述前驱体溶液中硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]与硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]的摩尔比为1:2。
实施例1：
步骤一：制备CaBi2O4前驱体溶液；
将0.71g硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]和0.88g乙二胺四乙酸溶于50ml去离子水中，60℃搅拌30min，使其充分发生络合反应得到透明溶液一；同时将2.9g的硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]加入50ml的乙二醇中，搅拌得到透明溶液二；然后将溶液一与溶液二混合，并用浓氨水调节其pH至7.0，得到透明的前驱体溶液。
步骤二：将洗净的ITO导电玻璃放入水热釜的聚四氟乙烯内胆中；加入步骤一中配置好的CaBi2O4前驱体溶液，密封。在180℃条件下水热12h，冷却后先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水洗净烘干。
步骤三：将CaBi2O4薄膜置于马弗炉中进行退火处理，以2℃/min升温至400℃保温4h，自然冷却至室温，得到CaBi2O4薄膜。
实施例2：
步骤一：制备CaBi2O4前驱体溶液；
将1.2g硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]和1.5g乙二胺四乙酸溶于50ml去离子水中，60℃搅拌30min，使其充分发生络合反应得到透明溶液一；同时将4.9g的硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]加入50ml的乙二醇中，搅拌得到透明溶液二；然后将溶液一与溶液二混合，并用浓氨水调节其pH至7.0，得到透明的前驱体溶液。
步骤二：将洗净的ITO导电玻璃放入水热釜的聚四氟乙烯内胆中；加入步骤一中配置好的CaBi2O4前驱体溶液，密封。在180℃条件下水热12h，冷却后先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水洗净烘干。
步骤三：将CaBi2O4薄膜置于马弗炉中进行退火处理，以2℃/min升温至400℃保温4h，自然冷却至室温，得到CaBi2O4薄膜。
本发明的作用机理是：当CaBi2O4薄膜被光照后吸收的光子能量等于或者大于其各自的禁带宽度时，其各自价带上的电子会被激发跃迁至其各自的导带上，从而在以前的电子位置上留下光生空穴，产生电子-空穴对。光生电子具有很强的还原能力，到达半导体催化剂表面会促进水分解产生氢气。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制备CaBi2O4前驱体溶液；
将硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]和乙二胺四乙酸溶于去离子水中，使其发生络合反应得到透明溶液一；同时将硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]加入乙二醇中，搅拌得到透明溶液二；然后将溶液一与溶液二混合，得到透明的前驱体溶液；
步骤二：采用水热法，在ITO导电玻璃基底上生成CaBi2O4，洗涤干燥；
步骤三：将CaBi2O4薄膜置于马弗炉中进行退火处理，最后得到CaBi2O4薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的工艺参数为：
将0.6～1.2g硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]和0.8～1.6g乙二胺四乙酸溶于50ml去离子水中，60℃搅拌30min，使其充分发生络合反应得到透明溶液一；同时将2.5～5g的硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]加入50ml的乙二醇中，搅拌得到透明溶液二；然后将溶液一与溶液二混合，并用浓氨水调节其pH至7.0，得到透明的前驱体溶液，其浓度为0.03～0.05mol·L-1。
3.根据权利要求1所述的一种用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的工艺参数为：
首先，将洗净的ITO导电玻璃放入水热釜的聚四氟乙烯内胆中；其次，加入所述步骤一中配置好的CaBi2O4前驱体溶液，密封；最后，在180℃条件下，水热12h，冷却后先用无水乙醇清洗，再用蒸馏水洗净烘干。
4.根据权利要求1所述的一种用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的工艺参数为：
将所述步骤二得到的CaBi2O4薄膜置于马弗炉中进行退火处理，以2℃/min升温至400℃保温4h，自然冷却至室温，得到CaBi2O4薄膜。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]与乙二胺四乙酸的摩尔比为1:1。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于光电催化的CaBi2O4纳米材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中硝酸钙[Ca(NO3)2·4(H2O)]与硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]的摩尔比为1:2。
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