CN111774057A - 一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电化学技术领域，具体公开了一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜的制备方法及应用，制备方法如下：将铁盐和硝酸钠溶于去离子水中，通过水热法将前驱体FeOOH生长在导电玻璃(FTO)上。取出前驱体薄膜，煅烧得到n‑Fe2O3纳米薄膜。然后将乳酸，铜盐溶于去离子水中，使其PH达到10‑12，沉淀物经过离心、烘干、煅烧得到p‑CuO粉体。用浸渍法在Fe2O3薄膜上负载CuO，最后煅烧得到Fe2O3/CuO异质结薄膜。利用本发明的方法制备的Fe2O3/CuO光阳极薄膜，能够使得电子空穴对有效分离，降低电子空穴的复合率，进而可以有效的提高光电化学性能，达到高效地分解水的目的。
Description
技术领域
本发明属于光电化学技术领域，具体涉及一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
由于化石燃料储量有限，环境问题日益突出，解决环境污染和能源短缺的光电化学电池已成为人们关注的焦点。光电化学分解水制氢将太阳能转换成可储存的化学能，是21世纪解决环境和能源问题的主要手段。
赤铁矿(Fe2O3)作为太阳能分解水的光电极材料得到了广泛的应用,它具有良好的带隙能(1.9-2.2ev)；在水氧化反应中有足够多的正价带位置；水和碱性电解液中具有良好的化学稳定性；其成本低、无毒、储量丰富、经济可行，理论上赤铁矿的氧化效率可达12.4％。但纯Fe2O3的载流子迁移率低、空穴扩散长度短、电荷分离能力差，导致损失较大。因此报告的效率低于预测值。《Nanoscale》报道了Fe2O3纳米线阵列和底层薄层Sb2Se3层组成的直接Z型光阳极系统，提高了光电化水的分解性能；《Acs Applied Materials&Interfaces》报道了梯度FeOx(PO4)(y)层赤铁矿光阳极:高效光驱动水氧化的新结构；《Energy&Environmental Science Ees》报道了用于光电化学水分解的赤铁矿异质结构:合理的材料设计和电荷载流子动力学；《Nano Letters》报道了Sn掺杂赤铁矿纳米结构的光电化学水分裂；《Energy&environmental science》报道了光辅助电沉积钴磷(Co-Pi)催化剂在赤铁矿光阳极上用于太阳能水氧化。虽然为了改善Fe2O3的各种问题，研究者们做了很多努力，但是能够有效改善光电化学性能的Fe2O3/CuO异质结还尚未有相关报道。
氧化铜(CuO)是一种很有前途的p型水分解材料，具有广泛的应用，包括多相催化、气体传感和光电化学。Fe2O3作为一种n型半导体，CuO与Fe2O3形成异质结，可以克服电子、空穴的重新组合，加速内电场下的载流子扩散，从而实现更有效的载流子分离和更长的寿命。因此，Fe2O3/CuO光阳极薄膜是很具有开发前景的光电化学分解水的材料。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜的制备方法及应用。该方法具有制备方法简单、操作方便，实验条件易控制等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，制备方法包括如下步骤：
1)将一定摩尔的铁盐和硝酸钠溶于去离子水中，通过水热得到前驱体FeOOH薄膜，在惰性气体或者空气条件下进行煅烧，得到Fe2O3薄膜；
2)将一定量铜盐、乳酸溶于去离子水中，用碱性溶液滴定，待沉淀完全析出，离心、洗涤、烘干、煅烧得到CuO粉体；
3)将步骤1)所得的Fe2O3薄膜在含有一定量CuO和聚乙二醇的乙醇溶液中浸渍处理，得到的Fe2O3/CuO薄膜在空气中煅烧，最终得到致密的异质结光阳极薄膜。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤1)中，所述的铁盐为九水合硝酸铁、六水合三氯化铁或硫酸铁中的一种。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤1)中，所述的铁盐和硝酸钠的摩尔比为0.1-0.2:1。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤1)中，所述的水热时间为4-16h，水热温度为90-120℃，所述的煅烧温度为450-800℃，煅烧时间为1-4h，升温速度为1-10℃/min。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤1)中，所述的惰性气体为氮气或者氩气。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤2)中，所述的铜盐为三水合硝酸铜、硫酸铜或二水合氯化铜中的一种，所述的铜盐和乳酸摩尔比为0.5:1-2。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤2)中，所述的碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾，使溶液的pH至10-12。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤2)中，所述的高温煅烧，温度为500-700℃，时间为1-3h。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤2)中，所述的干燥过程为在50-120℃下烘干1-15h。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤3)中，所述的浸渍时间0.5-5min，浸渍速率为1cm/min，浸渍次数为1-5次。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤3)中，所述的煅烧过程为在300-500℃下，煅烧1-2h。
上述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜可在光电化学水分解中应用。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的Fe2O3/CuO光电极薄膜的这种异质结结构更容易使光生电子-空穴有效分离，降低复合率，可以有效的提高光电化学性能。
2.本发明提供的Fe2O3/CuO光电极薄膜的制备方法，其原料廉价易得，操作简单方便，极大程度降低了成本，为水的分解提供新的催化材料，缓解当今的环境能源紧张的局势，有很好的发展前景。
3.本发明提供的Fe2O3/CuO光电极薄膜在可见光下的光电流密度是纯Fe2O3的2.9倍左右。
附图说明
图1为实施例1制备的纯的CuO粉体的XRD图。
图2为实施例3制备的Fe2O3/CuO光电极薄膜与实施例2制备Fe2O3薄膜XRD的对比图。
图3为实施例3制备的Fe2O3/CuO光电极薄膜与实施例2制备Fe2O3薄膜光电流的对比图。
图4为实施例3制备的Fe2O3/CuO光电极薄膜与实施例2制备Fe2O3薄膜阻抗图谱的对比图。
图5为实施例3制备的Fe2O3/CuO-3光电极薄膜与实施例2制备Fe2O3薄膜量子效率的对比图。
具体实施方式
实施例1一种高性能p型材料CuO光电极粉体
(一)制备方法
将3.99g硫酸铜、5.7mL1.3M乳酸溶于50mL的去离子水中，充分搅拌后，用0.5MNaOH滴定，使其PH＝11。待沉淀完全析出，将沉淀离心、洗涤后放入烘箱60℃干燥12h，得到CuO的前驱物。
将CuO的前驱物放在马弗炉中550℃煅烧2h，冷却到室温后进行研磨，得到p型光电极材料CuO粉体。
(二)检测
图1为实施例1中制备的光电极材料CuO的XRD图，由图1可见，样品在32.2°、33.1°、35.2°、38.5°、48.6°、53.3°、58.0°、61.3°、65.9°、67.9°有九个明显衍射峰，为CuO的特征峰，纯CuO光电极样品的衍射峰与氧化铜标准卡的峰谱完全一致，说明制备的纯CuO光电极材料的确为氧化铜。
实施例2一种高性能n型材料Fe2O3光电极薄膜
(一)制备方法
将0.6g六水合三氯化铁与1.27g硝酸钠溶于15mL的去离子水中，充分搅拌配制前驱体溶液。FTO用去离子水、乙醇清洗干净。
将前驱体溶液和FTO放在50mL水热釜中，100℃水热10h,得到FeOOH薄膜。
将FeOOH薄膜在管式炉中650℃煅烧2h，得到一种高性能n型光电极材料Fe2O3。
实施例3一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜
(一)制备方法
将60mg实施例1制备的CuO粉体和0.5mL聚乙二醇溶于50mL乙醇溶液中，超声60min，得到前驱体溶液。
将实施例2制备的Fe2O3薄膜浸渍在前驱体溶液中，浸渍时间为1min，浸渍速率为1cm/min。
浸渍1次的薄膜，在马弗炉中450℃煅烧1h，得到种高性能异质结材料Fe2O3/CuO-1光电极薄膜。
浸渍2次的薄膜，在马弗炉中450℃煅烧1h，得到种高性能异质结材料Fe2O3/CuO-2光电极薄膜。
浸渍3次的薄膜，在马弗炉中450℃煅烧1h，得到种高性能异质结材料Fe2O3/CuO-3光电极薄膜。
浸渍4次的薄膜，在马弗炉中450℃煅烧1h，得到种高性能异质结材料Fe2O3/CuO-4光电极薄膜。
(二)检测
图2为实施例3制备的Fe2O3/CuO光电极薄膜与纯的Fe2O3薄膜XRD的对比图。由图2可见，Fe2O3/CuO和Fe2O3膜的衍射峰几乎相同，分别对应于SnO2(FTO)和Fe2O3的衍射峰。所有样品在35.6°处表现出较强的峰值，表明Fe2O3晶粒沿高导电表面方向生长(110)。在XRD衍射图谱中，CuO没有明显的衍射峰，这是由于CuO浸渍物含量低、厚度薄造成的。
实施例4应用
分别将实施例2、3制备的纯Fe2O3、Fe2O3/CuO-1、Fe2O3/CuO-2、Fe2O3/CuO-3和Fe2O3/CuO-4光电极薄膜进行光电流、阻抗、以及量子效率等的光电化学性能测试。
所有电化学实验测试过程都在三电极体系的电化学工作站(Princeton AppliedResearch 2273)中进行。样品薄膜作为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极，电解液为1M氢氧化钠，样品光照射面积为1cm2。
光电流测试：光源为300W氙灯，偏压为1.23V vs.RHE，测得结果如图3所示，结果显示，异质结Fe2O3/CuO薄膜的光电流密度均大于纯Fe2O3，说明负载CuO后光电化学性能有所改善。Fe2O3/CuO-4光电极薄膜的光电流小于Fe2O3/CuO-3光电极薄膜的光电流，表明CuO浸渍时间的增加,导致光电子数量增加，超过最佳浸渍次数(3次),会导致CuO电荷复合率的增加。
电化学阻抗谱(EIS)测试：固定的电压为0V vs.Voc，频率范围是0.1-105Hz。测得结果如图4所示，浸渍次数为3次的样品，阻抗相对较小，光电流最大，与图3相符合。
量子效率(IPCE)测试：选取多个波长(365nm，380nm，390nm,410nm,420nm,430nm,450nm,460nm,490nm，520nm)的单色光照射实施例3制备的样品Fe2O3/CuO-3与实施例1制备的样品Fe2O3比较，测得其在偏压为1.23V vs.RHE时的光电流。利用公式：
其中，I为光电流密度(单位：mA)，λ为入射单色光波长(nm)，P为入射光强(单位：mW)。通过计算得出量子效率的值，结果如图5所示，在波长为365nm单色光照射下的量子效率最高，并且Fe2O3/CuO-3薄膜的量子效率是纯Fe2O3的2.6倍。
Claims (10)
1.一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
1)将一定摩尔的铁盐和硝酸钠溶于去离子水中，通过水热得到前驱体FeOOH薄膜，在惰性气体或者空气条件下进行煅烧，得到Fe2O3薄膜；
2)将一定量铜盐、乳酸溶于去离子水中，用碱性溶液滴定，待沉淀完全析出，离心、洗涤、烘干、煅烧得到CuO粉体；
3)将步骤1)所得的Fe2O3薄膜在含有一定量CuO和聚乙二醇的乙醇溶液中浸渍处理，得到的Fe2O3/CuO薄膜在空气中煅烧，最终得到致密的异质结光阳极薄膜。
2.如权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤1)中，所述的铁盐为九水合硝酸铁、六水合三氯化铁或硫酸铁中的一种。
3.如权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤1)中，所述的铁盐和硝酸钠的摩尔比为0.1-0.2:1。
4.如权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤1)中，所述的水热时间为4-16h，水热温度为90-120℃，所述的煅烧温度为450-800℃，煅烧时间为1-4h，升温速度为1-10℃/min。
5.如权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤2)中，所述的铜盐为三水合硝酸铜、硫酸铜或二水合氯化铜中的一种，所述的铜盐和乳酸摩尔比为0.5:1-2。
6.如权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤2)中，所述的碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾，使溶液的pH至10-12。
7.如权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤2)中，所述的高温煅烧，温度为500-700℃，时间为1-3h。
8.如权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤3)中，所述的浸渍时间0.5-5min，浸渍速率为1cm/min，浸渍次数为1-5次。
9.如权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜，其特征在于，步骤3)中，所述的煅烧过程为在300-500℃下，煅烧1-2h。
10.权利要求1所述的一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜可在光电化学水分解中应用。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113019366A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-06-25 | 辽宁大学 | 一种铜掺杂赤铁矿(Cu-Fe2O3)光电极薄膜及其制备方法和应用 |
| CN113293404A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-08-24 | 台州学院 | 一种异质结光阳极材料及其制备方法和应用 |
| CN113332991A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-03 | 南华大学 | 一种可见光响应的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极及其制备方法和应用 |
| CN114737217A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-07-12 | 辽宁大学 | 一种Bi2MoO6/CuO光电极薄膜及其制备方法和在光电化学水分解中的应用 |
| CN115992367A (zh) * | 2022-12-27 | 2023-04-21 | 辽宁大学 | 一种高性能异质结Ti-Fe2O3/CoSe2光电极薄膜的制备方法和应用 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101279761A (zh) * | 2008-05-27 | 2008-10-08 | 中南大学 | 一种制备氧化铜掺杂二氧化钛梯度薄膜的方法 |
| CN105780087A (zh) * | 2014-12-16 | 2016-07-20 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 电氧化合成一维纳米氧化物结构的制备方法 |
| CN107638881A (zh) * | 2017-07-31 | 2018-01-30 | 天津城建大学 | 一种用于光电催化产氢ZnO‑CuO‑FeOOH复合薄膜的制备方法 |
| CN110344029A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-10-18 | 台州学院 | 一种表面羟基化氧化铁薄膜光阳极材料的制备方法 |
-
2020
- 2020-07-02 CN CN202010625101.3A patent/CN111774057B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101279761A (zh) * | 2008-05-27 | 2008-10-08 | 中南大学 | 一种制备氧化铜掺杂二氧化钛梯度薄膜的方法 |
| CN105780087A (zh) * | 2014-12-16 | 2016-07-20 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 电氧化合成一维纳米氧化物结构的制备方法 |
| CN107638881A (zh) * | 2017-07-31 | 2018-01-30 | 天津城建大学 | 一种用于光电催化产氢ZnO‑CuO‑FeOOH复合薄膜的制备方法 |
| CN110344029A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-10-18 | 台州学院 | 一种表面羟基化氧化铁薄膜光阳极材料的制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ELIZABETH C PASTRANA ET AL.: "Fabrication and characterization of alpha-Fe2O3/CuO heterostructure thin films via dip-coating technique for improved photoelectrochemical performance", 《 ADVANCES IN NATURAL SCIENCES-NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY 》 * |
| YING GAO ET AL.: "Construction of Fe2O3@CuO Heterojunction Nanotubes for Enhanced Oxygen Evolution Reaction", 《ACS APPLIED ENERGY MATERIALS》 * |
| 郑先君: "p-n异质结光催化剂的制备及性能的研究进展", 《河南化工》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113293404A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-08-24 | 台州学院 | 一种异质结光阳极材料及其制备方法和应用 |
| CN113019366A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-06-25 | 辽宁大学 | 一种铜掺杂赤铁矿(Cu-Fe2O3)光电极薄膜及其制备方法和应用 |
| CN113332991A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-03 | 南华大学 | 一种可见光响应的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极及其制备方法和应用 |
| CN113332991B (zh) * | 2021-05-28 | 2022-06-10 | 南华大学 | 一种可见光响应的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极及其制备方法和应用 |
| CN114737217A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-07-12 | 辽宁大学 | 一种Bi2MoO6/CuO光电极薄膜及其制备方法和在光电化学水分解中的应用 |
| CN114737217B (zh) * | 2022-02-23 | 2023-11-10 | 辽宁大学 | 一种Bi2MoO6/CuO光电极薄膜及其制备方法和在光电化学水分解中的应用 |
| CN115992367A (zh) * | 2022-12-27 | 2023-04-21 | 辽宁大学 | 一种高性能异质结Ti-Fe2O3/CoSe2光电极薄膜的制备方法和应用 |
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