CN111364051A - 一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法 - Google Patents
一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111364051A CN111364051A CN202010208839.XA CN202010208839A CN111364051A CN 111364051 A CN111364051 A CN 111364051A CN 202010208839 A CN202010208839 A CN 202010208839A CN 111364051 A CN111364051 A CN 111364051A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tio
- flame
- titanium dioxide
- ions
- photoelectrode
- 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.)
- Pending
Links
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 121
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000001273 butane Substances 0.000 claims abstract description 14
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000011066 ex-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 19
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 17
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 16
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 12
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 9
- 229910001449 indium ion Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- YHWCPXVTRSHPNY-UHFFFAOYSA-N butan-1-olate;titanium(4+) Chemical compound [Ti+4].CCCC[O-].CCCC[O-].CCCC[O-].CCCC[O-] YHWCPXVTRSHPNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- YZZFBYAKINKKFM-UHFFFAOYSA-N dinitrooxyindiganyl nitrate;hydrate Chemical compound O.[In+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O YZZFBYAKINKKFM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 4
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 4
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 11
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000009841 combustion method Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004502 linear sweep voltammetry Methods 0.000 description 4
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 3
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NQTSTBMCCAVWOS-UHFFFAOYSA-N 1-dimethoxyphosphoryl-3-phenoxypropan-2-one Chemical compound COP(=O)(OC)CC(=O)COC1=CC=CC=C1 NQTSTBMCCAVWOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 1
- 239000007832 Na2SO4 Substances 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000000445 field-emission scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 238000000024 high-resolution transmission electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000000101 transmission high energy electron diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000001106 transmission high energy electron diffraction data Methods 0.000 description 1
- 238000004832 voltammetry Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/08—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of gallium, indium or thallium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/39—Photocatalytic properties
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/50—Processes
- C25B1/55—Photoelectrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明属于半导体纳米材料光电化学分解水制氢领域，特指一种非原位火焰掺杂In离子到二氧化钛纳米棒阵列的方法。本发明首先采用水热法在导电玻璃(FTO)上生长得到排列整齐的金红石二氧化钛纳米棒光电极，然后将含有In离子的前驱液旋涂到二氧化钛光电极表面，待溶剂挥发后将其置于丁烷火焰中烧灼，高温火焰驱动In离子注入到二氧化钛中，此过程不会破坏二氧化钛纳米棒阵列的形貌，结晶度和导电基底等。光电化学性能测试结果表明：In离子能够提升二氧化钛的电化学分解水性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体纳米材料光电化学分解水制氢领域，特指一种非原位火焰掺杂In离子到二氧化钛纳米棒阵列的方法。本发明首先采用水热法在导电玻璃(FTO)上生长得到排列整齐的金红石二氧化钛纳米棒光电极，然后将含有In离子的前驱液旋涂到二氧化钛光电极表面，待溶剂挥发后将其置于丁烷火焰中烧灼，高温火焰驱动In离子注入到二氧化钛中，此过程不会破坏二氧化钛纳米棒阵列的形貌，结晶度，和导电基底等。光电化学性能测试结果表面：In离子能够提升二氧化钛的电化学分解水性能。
背景技术
目前人类面临着化石燃料消耗殆尽的危机，开发利用太阳能是一种理想的获取新能源的方法。氢是一种易于储存、运输和可再生的清洁能源，且在使用过程中不会产生温室效应。因此太阳能光电化学分解水制氢是利用太阳能理想方法之一。二氧化钛具有抗腐蚀强、成本低廉等优点，因此被看好是一种理想的光电极材料。但是二氧化钛的载流子表面复合率高、光生载流子的迁移过程缓慢导致光生电荷分离效率低下是限制光催化活性的关键问题，大大限制了二氧化钛的催化活性和商业前景。因此改善半导体的光生电荷分离效率对实现太阳能光电化学分解水制氢技术的发展具有重大的意义。
目前火焰掺杂工艺(火焰雾化法、火焰等离子合成法、火焰燃烧法等)主要因其生产时间短、生产效率较高等优点而被广泛应用于合成离子掺杂型光催化材料，以望提升目的材料的催化性能。但是以上几种方法仍存在一定的缺陷。这里主要介绍火焰燃烧法。例如，火焰燃烧法一般包括气相燃烧法、凝胶燃烧法和溶液加热燃烧法。气相燃烧法属于原位掺杂的范畴，是指将前驱体和主体材料通过一定的设备雾化或者蒸汽化，然后将与燃气一起通入到指定的燃烧反应器中，最后元素掺杂在主体材料中完成。这种工艺无法避免杂原子被掺杂进主体材料中，杂原子对光生载流子的捕获也大大削弱了的光催化性能。而相对于原位掺杂，非原位掺杂对杂原子的可控性较好。但对非原位掺杂的报导较少，并且相对成熟的工艺(如离子注入、溅射、特殊气氛热处理)存在能耗高、时间周期长、高温具有危险性等问题。
发明内容
针对现有技术的以上问题，本发明旨提供一种操作简单、清洁高效、可规模化生产的非原位火焰离子掺杂的方法。
为实现上述发明目的，本发明旨在利用非原位火焰掺杂In离子制备In-TiO2光阳极。
首先通过水热法制备TiO2光阳极，再制备含有In离子的前驱液，通过旋涂的方法将前驱液均匀的涂布到TiO2光阳极上。将涂有前驱液的TiO2放进烘箱中烘干，最后再利用火焰喷枪外焰灼烧烘干的样品。此方法简单快捷，并且得到的TiO2光阳极的性能较原始二氧化钛大大提升。整个方法包括以下步骤：
a：水热法制备TiO2光阳极
(1)导电玻璃FTO洗净烘干后放入到聚四氟乙烯内衬中；将去离子水和浓盐酸混合，第一次搅拌均匀后缓慢滴入钛酸四丁酯，再继续搅拌后加入到内衬中。内衬装入高温水热釜内，于170℃烘箱，水热反应4h后冷却至室温。
(2)将冷却后得到的TiO2光阳极放在去离子水下冲洗后将其放入到烘箱中烘干，得到表面生长TiO2纳米棒阵列的FTO基片。
进一步地，步骤(1)中，浓盐酸的浓度为12M，去离子水和浓盐酸的体积比为1:1，钛酸四丁酯与去离子水和浓盐酸的混合物的体积比为0.6:50；第一次搅拌时间为10min，再继续搅拌时间为3min，导电玻璃FTO的面积为1×1cm2。
进一步地，步骤(2)中，冲洗时间为1min。
b：将含有In离子的前驱液旋涂到TiO2光电极
(1)配置含In离子的前驱液：向硝酸铟水合物中添加乙二醇，搅拌后再超声分散得到前驱液。
(2)将前驱液滴加到TiO2光电极上进行旋涂，旋涂完成之后置于80℃烘箱中烘干，重复10次此步骤后得到含有In离子的TiO2光电极。
进一步地，步骤(1)中，硝酸铟水合物和乙二醇的比例为0.196g：10mL；搅拌时间为30min；超声分散的时间为30min。
进一步地，步骤(2)中，每平方厘米的TiO2光电极上滴加的前驱液体积为0.3mL，旋涂转速为3000rmp，时间为25s。
c：火焰烧灼含有In离子前驱液的TiO2光电极
将步骤(b)旋涂后的FTO导电玻璃片置于丁烷气体燃烧的火焰中进行灼烧，灼烧后进行冷却。
进一步地，火焰使用的燃料为丁烷，氧化剂为空气，丁烷的进气量37.5g/h，空气的进气量125g/h，；FTO导电玻璃片距离火焰枪的距离是5.0cm；火焰烧灼时长为20s。
为了更好的区别金属掺杂对二氧化钛半导体光电化学性能的提升，我们通过其与空白对照组的二氧化钛光阳极进行对比。空白对照组不进行b步骤。
本发明中的In-TiO2纳米棒晶型结构由高分辨透射电镜(HRTEM)确定，表面形貌由场发射扫描电镜(FESEM)鉴定，In化学价态由X射线光电子能谱仪(XPS)确定。
本发明的另一个目的是将火焰掺杂In/TiO2作为工作电极应用于光电化学水解反应。
火焰掺杂TiO2的光电化学分解水性能测试在氙灯光源(300W)照射下测试步骤如下：在CHI 852C型电化学工作站下进行，在电解槽里加入0.5mol/L的硫酸钠(Na2SO4)作为电解液，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂丝作为对电极，火焰共掺杂TiO2为工作电极，进行线性扫描伏安曲线测试，瞬态光电流密度和电化学阻抗的测试。
In离子被证明为一种显著提升二氧化钛光生电荷分离的杂原子，以往的In离子掺杂方式大多是原位水热的方法，难以保留原始二氧化钛的形貌和晶型。本发明以TiO2作模型，In离子为掺杂剂，采用非原位火焰掺杂技术将In离子注入到TiO2中，In离子的高温稳定性优异，可以保证火焰掺杂的进行，火焰超快的升温速率和相对较高的温度能够在在极短时间将In离子掺杂到TiO2表界面区域，进而提升其光电化学分解水性能。通过控制火焰处理的时间，掺杂剂浓度等技术参数可以来实现杂原子的可控引入。相较于离子注入、溅射技术等非原位掺杂工艺，本发明在数十秒内完成离子掺杂过程，具有高效率，低成本的技术优势。
附图说明
图中In-TiO2指铟掺杂的二氧化钛，0.01M In-TiO2指0.01mol/L的In离子掺杂的TiO2依此类推；BE-TiO2指空白对照组。
图1中，TiO2 FESEM图；(a)原始TiO2，(b)空白对照组TiO2，(c)铟离子掺杂TiO2；TiO2HRTEM图(d)原始TiO2；(e)空白对照组TiO2(右上角插图是对应的SAED图案)。(f)铟离子掺杂TiO2(右上角插图是对应的SAED图案)。
图2为铟离子掺杂TiO2纳米棒XPS图；(g)O、Ti、In全谱，(h)In元素高分辨。
图3中，(a)原始TiO2,0.01M In-TiO2,0.05M In-TiO2,0.10M In-TiO2,0.15M In-TiO2，0.20M In-TiO2光电极的LSV曲线；(b)0.01M In-TiO2,0.05M In-TiO2,0.10M In-TiO2,0.15M In-TiO2，0.20M In-TiO2光电极的i-T曲线；(c)原始TiO2,空白对照TiO2,In-TiO2光电极的的IPCE曲线；(d)In-TiO2光电极的稳定性测试。
图4中，(a)原始TiO2,空白对照TiO2,0.01M In-TiO2,0.05M In-TiO2,0.10M In-TiO2,0.15M In-TiO2，0.20M In-TiO2光电极的光吸收曲线；(b)0.05M In-TiO2,原始TiO2光电极的Nyquist图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1火焰掺杂In/TiO2光电极的制备
a：水热法制备TiO2光阳极
(1)导电玻璃FTO(FTO,1×1cm2)洗净烘干放入到聚四氟乙烯内衬中。将去离子水(25mL)和浓盐酸(25mL 12M)1：1混合，搅拌均匀后缓慢滴入0.6mL钛酸四丁酯，再继续搅拌三分钟加入到内衬中。内衬装入高温水热釜内，于170℃烘箱，水热反应4h后冷却至室温。
(2)将冷却的TiO2光阳极放在去离子水下冲洗一分钟后将其放入到烘箱中烘干，得到表面生长TiO2纳米棒阵列的FTO基片。
b：将含有In离子的前驱液旋涂到TiO2光电极
(1)配置含In离子的前驱液：将0.196g In(NO3)3·5H2O和10mL乙二醇加入到30mL烧杯中，搅拌30min后再超声分散30min得到前驱液。
(2)取0.3mL前驱液滴加到TiO2(1×1cm2)光电极上进行旋涂，旋涂转速为3000rmp，时间为25s，旋涂完成之后置于80℃烘箱中烘干，最后重复10次此步骤。
c：火焰烧灼含有In离子前驱液的TiO2光电极
(1)将步骤b旋涂后得到的FTO导电玻璃片置于丁烷气体燃烧的火焰中进行灼烧20s，灼烧后进行自然冷却。火焰使用的燃料为丁烷，氧化剂为空气，丁烷的进气量37.5g/h，空气的进气量125g/h。FTO基底距离火焰枪的距离是5.0cm。
实施例2空白对照BE TiO2光电极的制备
a：水热法制备TiO2光阳极
(1)导电玻璃FTO(FTO,1×1cm2)洗净烘干放入到聚四氟乙烯内衬中。将去离子水(25mL)和浓盐酸(25mL 12M)1：1混合，搅拌均匀后缓慢滴入0.6mL钛酸四丁酯，再继续搅拌三分钟加入到内衬中。内衬装入高温水热釜内，于170℃烘箱，水热反应4h后冷却至室温。
(2)将冷却后得到的TiO2光阳极放在去离子水下冲洗一分钟后将其放入到烘箱中烘干，得到表面生长TiO2纳米棒阵列的FTO基片。
c：火焰烧灼含有In前驱液的TiO2光电极
(1)将步骤a得到的FTO基片置于丁烷气体燃烧的火焰中进行灼烧20s，灼烧后进行自然冷却。火焰使用的燃料为丁烷，氧化剂为空气，丁烷的进气量37.5g/h，空气的进气量125g/h。FTO基底距离火焰枪的距离是5.0cm。
实施例3材料表征
如图1(a)、1(b)、1(c)所示，FESEM证实火焰的还原和铟离子的掺杂，并没有改变TiO2纳米棒的表面形貌，仍然保持其原有纳米棒阵列；1(d)、1(e)、1(f)HRTEM证实火焰的还原和铟离子的掺杂，并没有改变TiO2纳米棒的结晶度，仍然保持原有的金红石相；右上角SAED图证实火焰还原过程后没有改变TiO2的单晶结构；图2(g)、2(h)XPS图证实了铟离子被成功掺杂到二氧化钛内。
如图3(a)线性伏安扫描曲线(LSV)测试证实了铟离子掺杂对光催化性能的提升；3(b)光电流测试(i-T)曲线趋势复合LSV测试结果，进一步证实了铟离子的掺杂改善了TiO2光阳极的光电化学性能；3(c)表面电荷分离效率(IPCE)曲线测试进一步证实了单纯的火焰还原不能够明显提升TiO2的光电化学分解水性能，铟离子的掺杂能够有效的提升其光电化学分解水性能；3(d)铟掺杂TiO2光阳极的稳定性测试，表明了铟掺杂TiO2光阳极的优异稳定性
如图4(a)UV-VIS曲线表面火焰还原和离子的掺杂不会改变二氧化钛的吸光度；4(b)电化学阻抗表明In离子子能够提升二氧化钛的光生载流子分离；
实施例4光电化学分解水性能测试
(1)所用电解液为0.5mol/L的Na2SO4水溶液。
(2)工作电极为所制备的火焰掺杂TiO2光电极，Ag/AgCl电极作参比电极，Pt丝作对电极。
(3)所用光源为300W氙灯，实际照射到电极表面光功率密度为100mW cm-2。
(4)所用电化学工作站型号为上海辰华公司的CHI 852C。
Claims (7)
1.一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法，其特征在于，所述方法是一种非原位火焰掺杂铟离子到二氧化钛纳米棒阵列的方法；首先通过水热法制备TiO2光阳极，再制备含有铟离子的前驱液，通过旋涂的方法将前驱液均匀地涂布到TiO2光阳极上，将涂有前驱液的TiO2光阳极烘干，最后再利用火焰喷枪外焰灼烧烘干的样品，进而提升TiO2光阳极的光电化学分解水性能。
2.如权利要求1所述的一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法，其特征在于，具体步骤如下：
a：水热法制备TiO2光阳极
(1)导电玻璃FTO洗净烘干后放入到聚四氟乙烯内衬中；将去离子水和浓盐酸混合，第一次搅拌均匀后缓慢滴入钛酸四丁酯，再继续搅拌后加入到内衬中，内衬装入高温水热釜内，于170℃烘箱，水热反应4h后冷却至室温；
(2)将冷却后得到的TiO2光阳极放在去离子水下冲洗后将其放入到烘箱中烘干，得到表面生长TiO2纳米棒阵列的FTO基片；
b：将含有In离子的前驱液旋涂到TiO2光电极
(3)配置含In离子的前驱液：向硝酸铟水合物中添加乙二醇，搅拌后再超声分散得到前驱液；
(4)将前驱液滴加到TiO2光电极上进行旋涂，旋涂完成之后烘干，重复10次此步骤后得到含有In离子的TiO2光电极；
c：火焰烧灼含有In离子前驱液的TiO2光电极
将步骤(b)旋涂后的FTO导电玻璃片置于丁烷气体燃烧的火焰中进行灼烧，灼烧后进行冷却。
3.如权利要求1所述的一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法，其特征在于，步骤(1)中，浓盐酸的浓度为12M，去离子水和浓盐酸的体积比为1:1，钛酸四丁酯与去离子水和浓盐酸的混合物的体积比为0.6:50；第一次搅拌时间为10min，再继续搅拌时间为3min，导电玻璃FTO的面积为1×1cm2。
4.如权利要求1所述的一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法，其特征在于，步骤(2)中，冲洗时间为1min。
5.如权利要求1所述的一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法，其特征在于，步骤(3)中，硝酸铟水合物和乙二醇的比例为0.196g：10mL；搅拌时间为30min；超声分散的时间为30min。
6.如权利要求1所述的一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法，其特征在于，步骤(4)中，烘干指置于80℃烘箱中烘干，每平方厘米的TiO2光电极上滴加的前驱液体积为0.3mL，旋涂转速为3000rmp，时间为25s。
7.如权利要求1所述的一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法，其特征在于，火焰使用的燃料为丁烷，氧化剂为空气，丁烷的进气量37.5g/h，空气的进气量125g/h，；FTO导电玻璃片距离火焰枪的距离是5.0cm；火焰烧灼时长为20s。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010208839.XA CN111364051A (zh) | 2020-03-23 | 2020-03-23 | 一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010208839.XA CN111364051A (zh) | 2020-03-23 | 2020-03-23 | 一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111364051A true CN111364051A (zh) | 2020-07-03 |
Family
ID=71202824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010208839.XA Pending CN111364051A (zh) | 2020-03-23 | 2020-03-23 | 一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111364051A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115744974A (zh) * | 2022-11-22 | 2023-03-07 | 北京师范大学 | 一种非金属元素掺杂阳离子空位的TiO2纳米棒的制备方法及所得产品、应用 |
| CN115888762A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-04-04 | 福州大学 | 一种金属离子掺杂提升硫铟铜/氧化钛异质结纳米棒阵列复合材料光电化学性能的方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101302036A (zh) * | 2008-07-03 | 2008-11-12 | 南开大学 | 一种掺杂二氧化钛纳米管的制备方法 |
| CN103240070A (zh) * | 2013-02-18 | 2013-08-14 | 沈阳理工大学 | 一种制备Al、In共掺杂TiO2光催化剂的方法 |
| US20140294721A1 (en) * | 2013-03-29 | 2014-10-02 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Doping and reduction of nanostructures and thin films through flame annealing |
-
2020
- 2020-03-23 CN CN202010208839.XA patent/CN111364051A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101302036A (zh) * | 2008-07-03 | 2008-11-12 | 南开大学 | 一种掺杂二氧化钛纳米管的制备方法 |
| CN103240070A (zh) * | 2013-02-18 | 2013-08-14 | 沈阳理工大学 | 一种制备Al、In共掺杂TiO2光催化剂的方法 |
| US20140294721A1 (en) * | 2013-03-29 | 2014-10-02 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Doping and reduction of nanostructures and thin films through flame annealing |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115744974A (zh) * | 2022-11-22 | 2023-03-07 | 北京师范大学 | 一种非金属元素掺杂阳离子空位的TiO2纳米棒的制备方法及所得产品、应用 |
| CN115744974B (zh) * | 2022-11-22 | 2024-03-15 | 北京师范大学 | 一种非金属元素掺杂阳离子空位的TiO2纳米棒的制备方法及所得产品、应用 |
| CN115888762A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-04-04 | 福州大学 | 一种金属离子掺杂提升硫铟铜/氧化钛异质结纳米棒阵列复合材料光电化学性能的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107324441B (zh) | 镍铁羟基氧化物修饰钒酸铋光电极及其制备方法、应用 | |
| CN109402656B (zh) | 一种磷化钴修饰钼掺杂钒酸铋光电极的制备方法 | |
| CN107881524B (zh) | 采用Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光阳极进行光电催化分解水制氢的方法 | |
| CN106676565B (zh) | 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 | |
| CN102774883B (zh) | 一种金红石型二氧化钛纳米线薄膜及其制备方法和用途 | |
| 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 | |
| Guo et al. | Fabrication of TiO2 nano-branched arrays/Cu2S composite structure and its photoelectric performance | |
| CN105040025A (zh) | 双金属氢氧化物复合多孔钒酸铋光电极及其制备方法 | |
| CN110655656A (zh) | 一种钴金属有机框架材料及其制备方法和应用 | |
| CN111364051A (zh) | 一种火焰掺杂In离子到二氧化钛光电极的方法 | |
| CN112791726B (zh) | 泡沫镍基底原位负载二氧化钛纳米线阵列材料及其制备方法和应用 | |
| CN109289890A (zh) | 高效自支撑氮化钛/氮掺杂二氧化钛光电催化电极材料及制备方法 | |
| 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 | |
| CN108560035A (zh) | 一种低成本制备ZnO&TiO2异质结薄膜的方法 | |
| CN105568309A (zh) | 一种光电化学电池的光电极的制备方法 | |
| CN113293404B (zh) | 一种异质结光阳极材料及其制备方法和应用 | |
| CN105642314A (zh) | 一种硫化镉-氧化锌核壳多层纳米棒阵列光催化材料及其制备方法 | |
| CN113593919B (zh) | 一种制备二氧化钛/钛酸铋复合光阳极的方法 | |
| CN109865525A (zh) | 一种CoPi/Ag/钒酸铋复合光电阳极材料的制备方法 | |
| CN102553626A (zh) | 一种碳氮共掺杂TiO2纳米催化材料的制备方法 | |
| CN112675859A (zh) | 一种泡沫镍基二氧化钛纳米复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN108389727B (zh) | 半导体复合异质结光电极及其制备方法 | |
| CN111270262A (zh) | 一种火焰共掺杂Sn，W离子到二氧化钛光电极的方法 | |
| CN113174610B (zh) | 一种α/γ-三氧化二铁薄膜电极及其制备方法和应用 | |
| CN109772295B (zh) | 一种钨酸铋修饰掺锑二氧化锡复合光电催化电极、制备方法及应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200703 |