CN108597886A - 一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液极其应用。该有机溶液包含溶液A和溶液B，溶液A由酞酸丁酯、浓盐酸和无水乙醇组成，其体积比为1:3:300；溶液B由金属有机酸、2,5‑二羟基对苯二甲酸、N,N‑二甲基甲酰胺、去离子水和无水乙醇组成，金属有机酸的浓度为0.05‑0.2mmol/L，2,5‑二羟基对苯二甲酸的浓度为0.005‑0.02mol/L，N,N‑二甲基甲酰胺:去离子水:无水乙醇的体积比为18:1:1。本发明的方法操作简单，易于控制，易于实现工业化；两种有机溶液协同作用二次改性后的氧化铁光阳极光电流提高了5倍，特别是显剧降低了开启电势，低至0.65V vs.RHE。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机溶液，特别涉及一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液极其应用。
背景技术
随着全球气候变暖、能源短缺以及环境污染问题的出现，光电化学电池分解水作为一种能将清洁太阳能转化为化学能的方式而备受关注，光阳极作为光电化学电池分解水的技术瓶颈，成为了研究的热点。氧化铁半导体材料由于其带隙窄(2.2eV)、光电化学稳定性好、价廉无污染等优点成为光电化学电池分解水技术最具潜力的一种光阳极材料。但由于其光生载流子的寿命短、少子迀移率低、电导率差和出氧动力不足等因素使得其开启电势高，光电化学性能与理论值相差较大。
现有研究一方面通过不同的制备方法控制氧化铁光阳极的形貌，希望克服其光吸收深度大和空穴扩散路程短之间的矛盾，降低其体内复合，提高体效率，增加饱和电流。另一方面采用掺杂、金属氧化物异质结构造、量子点修饰、等离子金属纳米颗粒负载和催化剂修饰等方法进行改性获得更优的光电化学响应。如公开号为CN 105837194A中国发明申请公开了一种钛掺杂ɑ-氧化铁光阳极、其制备方法及用途，通过在水热合成的β-FeOOH膜的表面涂覆钛源的溶液，起到细化晶粒，钛掺杂等作用，使其光电流增加了5倍，起始电位未发生正移。Gratzel课题组曾用常压化学气相沉积法(APCVD)制备了花椰菜状的氧化铁纳米膜，再经过表面修饰IrO2催化剂，使其饱和电流达到3.75mA/cm2，开启电势达到0.8V(vs.RHE)。(Tilley S D,Cornuz M,Sivula K,et al.Light‐Induced Water Splitting withHematite:Improved Nanostructure and Iridium Oxide Catalysis[J].AngewandteChemie,2010,122(36):6549-6552.)然而利用现有技术制备的氧化铁光阳极的开启电势和饱和电流与理论值0.4V(vs.RHE)和12.6mA/cm2还存在较大的差距。2017年Cai等人报道了在金属或其氧化物、氢氧化物表面原位合成金属有机框架材料(MOFs)，可获得比IrO2电催化剂更加优异的电催化性能。(Cai G,Zhang W,Jiao L,et al.Template-directed growthof well-aligned MOF arrays and derived self-supporting electrodes for watersplitting[J].Chem,2017,2(6):791-802.)且金属有机框架材料广泛应用于电催化剂、燃料电池、锂电池阳极和超级电容中，但应用于光电化学电池中还鲜见报道。
发明内容
本发明提供一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液及其应用，该方法操作简单、易控，易于实现工业化生产，获得的产品性能优异，特别是显剧降低了开启电势。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液，所述有机溶液包含溶液A和溶液B二组分，其中溶液A由酞酸丁酯、浓盐酸和无水乙醇组成，其体积比为1:3:300；其中溶液B由金属有机酸、2,5-二羟基对苯二甲酸、N,N-二甲基甲酰胺、去离子水和无水乙醇组成，金属有机酸的浓度为0.05-0.2mmol/L，2,5-二羟基对苯二甲酸的浓度为0.005-0.02mol/L，N,N-二甲基甲酰胺:去离子水:无水乙醇的体积比为18:1:1。
进一步，所述浓盐酸的重量百分含量为37wt％。
进一步，所述金属有机酸为乙酸钴和乙酸镍中的一种或两种。
本发明还提供一种上述有机溶液改性氧化铁光阳极的应用，具体步骤为：
(1)用电沉积的方法在导电玻璃基底上制备铁化合物纳米片；
(2)获得初步改性氧化铁光阳极；
(3)形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。
进一步，所述步骤(1)，经过去污粉、丙酮、去离子水和无水乙醇处理清洗后的导电玻璃作为阳极，石墨电极作为阴极，电解液为0.01mol/L的(NH4)2Fe(SO4)2和0.04mol/LCH3COONa水溶液，在1.2V沉积电压下，沉积800s，得到纳米片状铁化合物膜。
进一步，所述步骤(2)，将铁化合物薄膜放入装有上述溶液A的带盖玻璃容器中，将玻璃容器连同薄膜放入超声清洗机中，超声辅助浸泡3-8s取出覆有薄膜的基底用去离子水冲洗，用氮气吹干，此步骤重复2-3次后将基底连同薄膜放入马弗炉中600-700℃下热处理0.5-1h，升温速率为10℃/min，获得初步改性氧化铁光阳极。
进一步，将初步改性氧化铁光阳放入装有上述溶液B的反应釜中，将反应釜放入升温到110-130℃的马弗炉中水热处理保温4-6h后取样,放入惰性气体干燥器中在60-80℃下干燥2-5h，形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。
本发明的有益效果为：
本发明的方法操作简单，易于控制，易于实现工业化；两种有机溶液协同作用二次改性后的氧化铁光阳极光电流提高了5倍，特别是显剧降低了开启电势，低至0.65Vvs.RHE。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
首先本发明提供了一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液，有机溶液包含A和B二组分，其中溶液A由酞酸丁酯、浓盐酸(37wt％)和无水乙醇组成，其体积比为1:3:300；其中溶液B由金属有机酸、2,5-二羟基对苯二甲酸、N,N-二甲基甲酰胺、去离子水和无水乙醇组成，金属有机酸为乙酸钴和乙酸镍中的一种或两种，金属有机酸的浓度为0.05-0.2mmol/L，2,5-二羟基对苯二甲酸的浓度为0.005-0.02mol/L，N,N-二甲基甲酰胺:去离子水:无水乙醇的体积比为18:1:1。
两种溶液分别按上述浓度、比例量取混合搅拌均匀，备用即可。
本发明还提供了一种上述有机溶液改性氧化铁光阳极的应用，具体步骤为：
(1)用电沉积的方法在导电玻璃基底上制备铁化合物纳米片，
经过去污粉、丙酮、去离子水和无水乙醇处理清洗后的导电玻璃作为阳极，石墨电极作为阴极，电解液为0.01mol/L的(NH4)2Fe(SO4)2和0.04mol/L CH3COONa水溶液，在1.2V沉积电压下，沉积800s，得到纳米片状铁化合物膜。
(2)将铁化合物薄膜放入装有上述溶液A的带盖玻璃容器中，将玻璃容器连同薄膜放入超声清洗机中，超声辅助浸泡3-8s取出覆有薄膜的基底用去离子水冲洗，用氮气吹干，此步骤重复2-3次后将基底连同薄膜放入马弗炉中600-700℃下热处理0.5-1h，升温速率为10℃/min，获得初步改性氧化铁光阳极。
(3)将初步改性氧化铁光阳放入装有上述溶液B的反应釜中，将反应釜放入升温到110-130℃的马弗炉中水热处理保温4-6h后取样,放入惰性气体干燥器中在60-80℃下干燥2-5h，形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。
实例1：
量取20μL钛酸四丁酯，60μL浓HCl，6mL无水乙醇搅拌均匀制成溶液A。称取0.071g2,5-二羟基对苯二甲酸，0.8mg四水合乙酸钴，溶于18mL N,N-二甲基甲酰胺、1mL去离子水和1mL无水乙醇混合溶剂中，搅拌均匀制成溶液B。将导电玻璃插入电解液为0.01mol/L的(NH4)2Fe(SO4)2和0.04mol/L CH3COONa水溶液中1.2V沉积电压下沉积800s。将沉积有纳米片状铁化合物膜的导电玻璃放入溶液A，超声辅助浸泡5s取出薄膜用去离子水冲洗，用氮气吹干，此步骤重复2次后放入马弗炉中700℃下热处理0.5h，升温速率为10℃/min，获得初步改性氧化铁光阳极。将初步改性氧化铁光阳浸入装有溶液B的反应釜中，将反应釜放入升温到110℃的马弗炉中水热处理保温4h后取样,放入惰性气体干燥器中在60℃下干燥2h，形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。将获得的光阳极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，在1M氢氧化钠溶液中，利用天津兰力科光电化学工作站固定光强到1000W/m2，线性扫描伏安法在扫速0.03V/s进行光电化学性能测试。
实例2：
量取20μL钛酸四丁酯，60μL浓HCl，6mL无水乙醇搅拌均匀制成溶液A。称取0.071g2,5-二羟基对苯二甲酸，1.6mg四水合乙酸钴，溶于18mL N,N-二甲基甲酰胺、1mL去离子水和1mL无水乙醇混合溶剂中，搅拌均匀制成溶液B。将导电玻璃插入电解液为0.01mol/L的(NH4)2Fe(SO4)2和0.04mol/L CH3COONa水溶液中1.2V沉积电压下沉积800s。将沉积有纳米片状铁化合物膜的导电玻璃放入溶液A，超声辅助浸泡5s取出薄膜用去离子水冲洗，用氮气吹干，此步骤重复2次后放入马弗炉中700℃下热处理0.5h，升温速率为10℃/min，获得初步改性氧化铁光阳极。将初步改性氧化铁光阳浸入装有溶液B的反应釜中，将反应釜放入升温到110℃的马弗炉中水热处理保温4h后取样,放入惰性气体干燥器中在60℃下干燥2h，形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。将获得的光阳极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，在1M氢氧化钠溶液中，利用天津兰力科光电化学工作站固定光强到1000W/m2，线性扫描伏安法在扫速0.03V/s进行光电化学性能测试。
实例3：
量取20μL钛酸四丁酯，60μL浓HCl，6mL无水乙醇搅拌均匀制成溶液A。称取0.071g2,5-二羟基对苯二甲酸，0.8mg四水合乙酸镍，溶于18mL N,N-二甲基甲酰胺、1mL去离子水和1mL无水乙醇混合溶剂中，搅拌均匀制成溶液B。将导电玻璃插入电解液为0.01mol/L的(NH4)2Fe(SO4)2和0.04mol/L CH3COONa水溶液中1.2V沉积电压下沉积800s。将沉积有纳米片状铁化合物膜的导电玻璃放入溶液A，超声辅助浸泡5s取出薄膜用去离子水冲洗，用氮气吹干，此步骤重复2次后放入马弗炉中700℃下热处理0.5h，升温速率为10℃/min，获得初步改性氧化铁光阳极。将初步改性氧化铁光阳浸入装有溶液B的反应釜中，将反应釜放入升温到110℃的马弗炉中水热处理保温4h后取样,放入惰性气体干燥器中在60℃下干燥2h，形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。将获得的光阳极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，在1M氢氧化钠溶液中，利用天津兰力科光电化学工作站固定光强到1000W/m2，线性扫描伏安法在扫速0.03V/s进行光电化学性能测试。
实例4：
量取20μL钛酸四丁酯，60μL浓HCl，6mL无水乙醇搅拌均匀制成溶液A。称取0.071g2,5-二羟基对苯二甲酸，0.4mg四水合乙酸镍，0.4mg四水合乙酸钴，溶于18mL N,N-二甲基甲酰胺、1mL去离子水和1mL无水乙醇混合溶剂中，搅拌均匀制成溶液B。将导电玻璃插入电解液为0.01mol/L的(NH4)2Fe(SO4)2和0.04mol/L CH3COONa水溶液中1.2V沉积电压下沉积800s。将沉积有纳米片状铁化合物膜的导电玻璃放入溶液A，超声辅助浸泡5s取出薄膜用去离子水冲洗，用氮气吹干，此步骤重复2次后放入马弗炉中700℃下热处理0.5h，升温速率为10℃/min，获得初步改性氧化铁光阳极。将初步改性氧化铁光阳浸入装有溶液B的反应釜中，将反应釜放入升温到110℃的马弗炉中水热处理保温4h后取样,放入惰性气体干燥器中在60℃下干燥2h，形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。将获得的光阳极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂片作为对电极，在1M氢氧化钠溶液中，利用天津兰力科光电化学工作站固定光强到1000W/m2，线性扫描伏安法在扫速0.03V/s进行光电化学性能测试。
应用有机溶液改性后的氧化铁光阳极与未改性的氧化铁光阳极光电化学性能对比结果见表1。
表1
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液，其特征在于：所述有机溶液包含溶液A和溶液B二组分，其中溶液A由酞酸丁酯、浓盐酸和无水乙醇组成，其体积比为1:3:300；其中溶液B由金属有机酸、2,5-二羟基对苯二甲酸、N,N-二甲基甲酰胺、去离子水和无水乙醇组成，金属有机酸的浓度为0.05-0.2mmol/L，2,5-二羟基对苯二甲酸的浓度为0.005-0.02mol/L，N,N-二甲基甲酰胺:去离子水:无水乙醇的体积比为18:1:1。
2.根据权利要求1所述的一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液，其特征在于：所述浓盐酸的重量百分含量为37wt％。
3.根据权利要求1所述的一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液，其特征在于：所述金属有机酸为乙酸钴和乙酸镍中的一种或两种。
4.一种权利要求1至3中任一项的有机溶液改性氧化铁光阳极的应用，具体步骤为：
(1)用电沉积的方法在导电玻璃基底上制备铁化合物纳米片；
(2)获得初步改性氧化铁光阳极；
(3)形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。
5.根据权利要求4所述的一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液的应用，其特征在于：所述步骤(1)，经过去污粉、丙酮、去离子水和无水乙醇处理清洗后的导电玻璃作为阳极，石墨电极作为阴极，电解液为0.01mol/L的(NH4)2Fe(SO4)2和0.04mol/L CH3COONa水溶液，在1.2V沉积电压下，沉积800s，得到纳米片状铁化合物膜。
6.根据权利要求4所述的一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液的应用，其特征在于：所述步骤(2)，将铁化合物薄膜放入装有上述溶液A的带盖玻璃容器中，将玻璃容器连同薄膜放入超声清洗机中，超声辅助浸泡3-8s取出覆有薄膜的基底用去离子水冲洗，用氮气吹干，此步骤重复2-3次后将基底连同薄膜放入马弗炉中600-700℃下热处理0.5-1h，升温速率为10℃/min，获得初步改性氧化铁光阳极。
7.根据权利要求4所述的一种用于改性氧化铁光阳极的有机溶液的应用，其特征在于：将初步改性氧化铁光阳放入装有上述溶液B的反应釜中，将反应釜放入升温到110-130℃的马弗炉中水热处理保温4-6h后取样,放入惰性气体干燥器中在60-80℃下干燥2-5h，形成具有活性位点的二次改性氧化铁光阳极。
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