CN114059078B - 一种压电增强光电催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电增强光电催化剂的制备方法，该方法首先制得光催化剂和压电材料的前驱体凝胶，将前驱体凝胶旋涂在导电衬底上，加热使其形成压电材料与光催化剂的异质结，然后负载电催化剂，负载了电催化剂(共催化剂)前驱体，再进行退火处理形成光电催化系统，最后进行小电压的极化处理，得到的光电催化剂能产生超强局域场使得光电催化系统的光电产氧性能大大提升，解决了现办法分解水产氧电流小，效率低的问题。

Description

一种压电增强光电催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种压电增强光电催化剂的制备方法，属于纳米新能源材料领域。
背景技术
随着社会经济的不断发展，人类对自然环境的破坏也越来越严重。因此，环境污染的治理正成为全人类共同面对的重大课题之一，其中水污染的治理尤其引人关注。光催化是一种很有前途的解决环境污染问题的技术。然而，由于大部分光催化剂效率低，其光生电子不容易被空气中的氧气捕获，增加了电子与空穴的复合几率，致使在可见光下催化能力较差，阻碍了该技术的实际应用。为了解决这个问题，通常使用复合光电催化剂（光电催化体系）来增强载流子分离。
中国专利文献CN201511016862.4公开了一种带有双重助氧催化层的可见光催化薄膜。中国专利文献CN201911188630.5公开了一种Au修饰的ZnO/Fe2O3纳米管阵列，显著增强了光电化学氧化甲醇催化能力，但这些手段提高程度有限。
光电催化体系中光催化还原体系特有的载流子随电子转移而迁移是保证其高还原氧化能力的关键步骤。然而，这种矢量电子转移很难控制，只能通过界面处光催化系统向电催化系统的下带弯曲来实现。对于压电材料，由于材料内部的开关极化诱导电场可形成不同的能带弯曲，利用合适的极化条件可获得所需的能带弯曲。如中国专利文献CN201310034116.2公开了一种压电/半导体异质结催化剂的制备方法，水热制成BFO微米颗粒后，共沉淀一层BVO纳米颗粒，通过2KV-5KV超高压极化使得压电催化和光催化协同，提高光催化活性。但是该催化剂仅仅是利用压电材料来提高光催化剂的光催化性，应用时极化电流还是较小，提高程度有限，没有真正利用上光电催化的优势；并且制备过程中，需要2KV-5KV超高压进行极化，极化电压高，浪费能源。
因此，需要研发一种催化活性优异、稳定性好、成本低、极化电流大的光电催化剂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种压电增强光电催化剂的制备方法，本发明得到的压电增强光电催化剂能产生超强局域场使得光电催化系统的光电产氧性能大大提升，解决了现办法分解水产氧电流小，效率低的问题，并且催化活性优异、稳定性好、制作过程简单可控又环保、成本低、易于工业化生产。
发明简述：
本发明首先制得光催化剂和压电材料的前驱体凝胶，将前驱体凝胶旋涂在导电衬底上，加热使其形成压电材料与光催化剂的异质结，然后负载电催化剂，负载了电催化剂（共催化剂）前驱体，再进行退火处理形成光电催化系统，最后进行小电压的极化处理，得到的光电催化剂能产生超强局域场使得光电催化系统的光电产氧性能大大提升，解决了现办法分解水产氧电流小，效率低的问题。
发明详述：
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种压电增强光电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）提供一导电衬底，预处理后，进行亲水活性处理，干燥后，得到亲水导电衬底；
（2）将乙酰丙酮氧钒溶于乙酰丙酮中，得a溶液，乙酰丙酮铁溶于乙酰丙酮中，得b溶液，硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)溶于去离子水中，得c溶液，将a溶液、b溶液、c溶液进行混合，得混合溶液，混合溶液中(V+Fe):Bi的离子摩尔比为：1:1；将混合溶液超声处理后再加热搅拌蒸发，得前驱体凝胶；
（3）将前驱体凝胶旋涂到亲水导电衬底上，干燥，得前驱体薄膜衬底；
（4）将前驱体薄膜衬底在空气中升温至350oC-550oC进行退火，移除衬底，得BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜；
（5）将BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜朝上放入烧杯中，加入 Co(NO3)2·6H2O溶液，搅拌后静置0.5-2h，然后倒入二-甲基咪唑溶液，静置3-6h，取出样品，冲洗、干燥、烧结，得Co3O4/BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜；
（6）对Co3O4/BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜进行极化，得压电增强光电催化剂。
根据本发明优选的，步骤（1）中，所述的导电衬底为碳片、FTO、ITO、Zn或n-Si。
进一步优选的，所述的导电衬底为碳片。
根据本发明优选的，步骤（1）中，导电衬底的厚度为0.5mm-2mm。
根据本发明优选的，步骤（1）中，导电衬底的预处理为将衬底依次放入丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，去除表面杂质。
根据本发明优选的，步骤（1）中，亲水活性处理为用氧等离子体进行亲水活性处理，氧等离子体处理时间为10-20min，通入氧气流量10～50sccm，功率50～120W。
根据本发明优选的，步骤（2）中，a溶液中乙酰丙酮氧钒的浓度为0.01-0.05M，b溶液中乙酰丙酮铁的浓度为0.01-0.05M，c溶液中硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)的的浓度为0.1-0.3M。
根据本发明优选的，步骤（2）中，混合溶液中V：Fe离子摩尔比为：（1-7）:（3-10）。
根据本发明优选的，步骤（2）中，超声时间为20-40min，热搅拌蒸发温度为70-90oC，时间为20-26h。
根据本发明优选的，步骤（3）中，旋涂转速为2500-3500 rpm，旋涂时间为25-35s，旋涂次数为1-6次，干燥温度为70-90oC，干燥时间为8-15min。
根据本发明优选的，步骤（4）中，升温至350-550℃的速率为5-10oC/min，退火时间为60-120min。
根据本发明优选的，步骤（5）中，Co(NO3)2·6H2O溶液的浓度为0.02-0.06，单位:g/mL，二-甲基咪唑溶液的浓度为0.02-0.05，单位: g/mL。
根据本发明优选的，步骤（5）中，Co(NO3)2·6H2O溶液与二-甲基咪唑溶液的体积比为：1:1。
根据本发明优选的，步骤（5）中，干燥温度为70-90oC，干燥时间为8-15min；烧结为在空气中升温至350oC-550oC进行烧结170-190min，升温速率5-10oC/min。
本发明将得到的BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜进行负载Co3O4电催化剂（共催化剂），Co3O4作为共催化剂，一方面为催化剂提供了更多的活性位点，另一方面，赋予了催化剂一定的电压，通过小电压极化处理后，得到的光电催化剂能产生超强局域场使得光电催化系统的光电产氧性能大大提升， 极化电流大，最大光电流密度达到1280 mA/cm2，催化活性极大提高。
根据本发明优选的，步骤（6）中，所述的极化为以Co3O4/BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜为负极，Pt为正电极，加压10-30V进行压电极化。
本发明方法中所有原料均为市售产品。没有特别限定的部分均可参照现有技术。
一种压电增强光电催化剂，采用上述方法制备得到。
本发明的技术特点及优良效果在于：
1、本发明首先制得光催化剂和压电材料的前驱体凝胶，将前驱体凝胶旋涂在导电衬底上，加热使其形成压电材料与光催化剂的异质结，然后负载电催化剂，负载了电催化剂（共催化剂）前驱体，再进行退火处理形成光电催化系统，最后进行小电压的极化处理，得到的光电催化剂能产生超强局域场使得光电催化系统的光电产氧性能大大提升，解决了现办法分解水产氧电流小，效率低的问题。
2、本发明将得到的BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜进行负载Co3O4电催化剂（共催化剂），Co3O4作为共催化剂，一方面为催化剂提供了更多的活性位点，另一方面，赋予了催化剂一定的电压，通过小电压极化处理后，得到的光电催化剂能产生超强局域场使得光电催化系统的光电产氧性能大大提升， 极化电流大，最大光电流密度达到1280 mA/cm2，催化活性极大提高。
3、本发明采用碳片作为衬底，其生产成本很低，市售有很多规格；并且极化电压小，只有10-30V，能耗低。
附图说明
图1为本发明实施例1的前驱体薄膜、BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜以及Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结薄膜的XRD图；
图2为本发明实施例1的Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结薄膜、BiFeO3-BiVO4异质结薄膜的电镜图，图中，a为Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结薄膜的SEM图，b为BiFeO3-BiVO4异质结薄膜的SEM图，c为Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结薄膜的TEM图，d为Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结薄膜的SEM晶格图。
图3为本发明实施例1的Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结薄膜TEM的EDS图；
图4为不同材料的性能图；图中， a为紫外可见吸收，b为光电响应图，c为光电响应光电流I-V曲线，d为各种材料I-V曲线，e为光电化学面积；
图5 为不同材料的性能图；图中，a为极化前后光电流I-V曲线，b、c、d为PFM图；
图6 不同衬底下实施例1的样品Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结极化曲线及电化学面积图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例中所用管式炉炉为合肥科晶OTF-1200型CVD炉，加热速率可到30℃/min，降温速率最快可到300℃/min。
实施例1：
压电增强光电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将大小为200*70mm2的碳片依次放入丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，去除表面杂质，用氧等离子体进行亲水活性处理，放入真空干燥箱干燥，得到亲水导电衬底；
(2) 将乙酰丙酮氧钒溶于乙酰丙酮中，得a溶液，乙酰丙酮铁溶于乙酰丙酮中，得b溶液，硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)溶于去离子水中，得c溶液，将a溶液、b溶液、c溶液进行混合，得混合溶液，混合溶液中(V+Fe):Bi的离子摩尔比为：1:1；将混合溶液超声30min，在80oC下搅拌蒸发24h，得前驱体凝胶；V: Fe =6:4；a溶液中乙酰丙酮氧钒的浓度为0.03M，b溶液中乙酰丙酮铁的浓度为0.03M，c溶液中硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)的的浓度为0.2M。
(3) 取前驱体凝胶100μL，滴加到亲水导电衬底上3000 rpm旋涂30s，放干燥箱80oC干燥10min，重复旋涂3次，得到前驱体薄膜衬底；
(4) 把前驱体薄膜衬底样品，放到管式炉中，在450oC空气中烧90min，得到BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜；
(5) 将1.95g 二-甲基咪唑溶解于40 mL去离子水中， 1.75 g Co(NO3)2·6H2O溶入40 mL 去离子水；将前驱体薄膜朝上放入100mL烧杯，加入40 mL Co(NO3)2·6H2O溶液，搅拌后静置1h，再将40 mL二-甲基咪唑溶液缓慢倒入，静置4h；
(6) 把步骤(5)中样品捞出，用去离子水冲洗，放干燥箱80oC干燥10min后，放到管式炉中，在350oC空气中烧180min，得到Co3O4/ BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜；
(7) 以Co3O4/ BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜为负极，Pt为正电极，加压30V进行压电极化，得到Co3O4/BiFeO3-BiVO4-P-压电增强光电催化剂。
实施例2：
压电增强光电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将大小为200*70mm2的碳片依次放入丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，去除表面杂质，用氧等离子体进行亲水活性处理，放入真空干燥箱干燥，得到亲水导电衬底；
(2) 将乙酰丙酮氧钒溶于乙酰丙酮中，得a溶液，乙酰丙酮铁溶于乙酰丙酮中，得b溶液，硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)溶于去离子水中，得c溶液，将a溶液、b溶液、c溶液进行混合，得混合溶液，混合溶液中(V+Fe):Bi的离子摩尔比为：1:1；将混合溶液超声30min，在80oC下搅拌蒸发24h，得前驱体凝胶；V: Fe =2:8；a溶液中乙酰丙酮氧钒的浓度为0.03M，b溶液中乙酰丙酮铁的浓度为0.03M，c溶液中硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)的的浓度为0.2M。
(3) 取前驱体凝胶100μL，滴加到亲水导电衬底上3000 rpm旋涂30s，放干燥箱80oC干燥10min，重复旋涂3次，得到前驱体薄膜衬底；
(4) 把前驱体薄膜衬底样品，放到管式炉中，在450oC空气中烧90min，得到BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜。
(5) 将1.95g 二-甲基咪唑溶解于40 mL去离子水中， 1.75 g Co(NO3)2·6H2O溶入40 mL 去离子水；将样品朝上放入100mL烧杯，加入40 mL Co(NO3)2·6H2O溶液，搅拌后静置1h，再将40 mL二-甲基咪唑溶液缓慢倒入，静置4h。
(6) 把步骤(5)中样品捞出，用去离子水冲洗，放干燥箱80oC干燥10min后，放到管式炉中，在350oC空气中烧180min，得到Co3O4/ BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜。
(7) 以Co3O4/ BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜为负极，Pt为正电极，加压30V进行压电极化，得到Co3O4/BiFeO3-BiVO4-P-压电增强光电催化剂。
实施例3：
压电增强光电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将大小为200*70mm2的碳片依次放入丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，去除表面杂质，用氧等离子体进行亲水活性处理，放入真空干燥箱干燥，得到亲水导电衬底；
(2) 将乙酰丙酮氧钒溶于乙酰丙酮中，得a溶液，乙酰丙酮铁溶于乙酰丙酮中，得b溶液，硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)溶于去离子水中，得c溶液，将a溶液、b溶液、c溶液进行混合，得混合溶液，混合溶液中(V+Fe):Bi的离子摩尔比为：1:1；将混合溶液超声30min，在80oC下搅拌蒸发24h，得前驱体凝胶；V: Fe =6:4；a溶液中乙酰丙酮氧钒的浓度为0.03M，b溶液中乙酰丙酮铁的浓度为0.03M，c溶液中硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)的的浓度为0.2M。
(3) 取前驱体凝胶100μL，滴加到亲水导电衬底上3000 rpm旋涂30s，放干燥箱80oC干燥10min，重复旋涂3次，得到前驱体薄膜衬底；
(4) 把前驱体薄膜衬底样品，放到管式炉中，在350oC空气中烧90min，得到BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜。
(5) 将1.95g 二-甲基咪唑溶解于40 mL去离子水中， 1.75 g Co(NO3)2·6H2O溶入40 mL 去离子水；等BiFeO3-BiVO4异质结薄膜降到室温，将样品朝上放入100mL烧杯，加入40 mL Co(NO3)2·6H2O溶液，搅拌后静置1h，再将40 mL二-甲基咪唑溶液缓慢倒入，静置4h。
(6) 把步骤(5)中样品捞出，用去离子水冲洗，放干燥箱80oC干燥10min后，放到管式炉中，在350oC空气中烧180min，得到Co3O4/ BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜。
(7) 以Co3O4/ BiFeO3-BiVO4异质结薄膜为负极，Pt为正电极，加压30V进行压电极化，得到Co3O4/BiFeO3-BiVO4-P-压电增强光电催化剂。
实施例4：
压电增强光电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将大小为200*70mm2的FTO依次放入丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，去除表面杂质，用氧等离子体进行亲水活性处理，放入真空干燥箱干燥，得到亲水导电衬底；
(2) 将乙酰丙酮氧钒溶于乙酰丙酮中，得a溶液，乙酰丙酮铁溶于乙酰丙酮中，得b溶液，硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)溶于去离子水中，得c溶液，将a溶液、b溶液、c溶液进行混合，得混合溶液，混合溶液中(V+Fe):Bi的离子摩尔比为：1:1；将混合溶液超声30min，在80oC下搅拌蒸发24h，得前驱体凝胶；V: Fe =6:4；a溶液中乙酰丙酮氧钒的浓度为0.03M，b溶液中乙酰丙酮铁的浓度为0.03M，c溶液中硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)的的浓度为0.2M。
(3) 取前驱体凝胶100μL，滴加到亲水导电衬底上3000 rpm旋涂30s，放干燥箱80oC干燥10min，重复旋涂3次，得到前驱体薄膜衬底；
(4) 把前驱体薄膜衬底样品，放到管式炉中，在450oC空气中烧90min，得到BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜。
(5) 将1.95g 二-甲基咪唑溶解于40 mL去离子水中， 1.75 g Co(NO3)2·6H2O溶入40 mL 去离子水；等BiFeO3-BiVO4异质结薄膜降到室温，将样品朝上放入100mL烧杯，加入40 mL Co(NO3)2·6H2O溶液，搅拌后静置1h，再将40 mL二-甲基咪唑溶液缓慢倒入，静置4h。
(6) 把步骤(5)中样品捞出，用去离子水冲洗，放干燥箱80oC干燥10min后，放到管式炉中，在350oC空气中烧180min，得到Co3O4/ BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜。
(7) 以Co3O4/ BiFeO3-BiVO4异质结薄膜为负极，Pt为正电极，加压30V进行压电极化，得到Co3O4/BiFeO3-BiVO4-P-压电增强光电催化剂。
实验例：
对上述实施例1的产品进行检测实验。
通过图1XRD表征可以看到，前驱体没有BiFeO3/BiVO4的峰，高温反应后得到的BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜出现了尖锐的BiFeO3/BiVO4峰，说明反应成功制备出Fe掺杂的BiVO4铁电薄膜，图2 SEM图可以证明Fe掺杂的BiVO4铁电薄膜的成功制备；通过图1XRD以及图2电镜图可以看到，在薄膜上生长Co-MOF，空气中350℃烧3小时，形成Co3O4 /BiFeO3-BiVO4复合材料，图3 TEM和EDS图可以看到各元素分布同样证明形成Co3O4 /BiFeO3-BiVO4复合材料。
Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结薄膜紫外可见吸收与纯BiVO4、BiFeO3和BiFeO3/BiVO4材料的性能差不多，但其光电响应以及光电流都要大（图4b），Co3O4光电材料基本没有光电响应，Co3O4/BiFeO3和Co3O4/BiVO4薄膜有光电响应，Co3O4 /BiVO4光电响应较Co3O4/ BiFeO3光电响应强，但Co3O4/BiFeO3-BiVO4光电响应最强，说明Co2O3/BiFeO3-BiVO4异质结在光照和电压下增加了光电分离，减少了电子与空穴的复合，增大了其光电性能。通过阻抗分析也可以证明这一点，Co3O4/BiVO4阻抗较Co3O4/BiFeO3弱，但Co3O4/BiFeO3-BiVO4光照下阻抗最小，同时Co3O4/BiFeO3-BiVO4光照下电化学面积最大也印证了Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结可以增加光电转化的活性位点，从而增大光电性能。
BiFeO3-BiVO4纳米异质结经过30V电压极化后，如图5a所示，Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结光电流又增加了50%。通过PFM（图5b、c、d）可以看出Co3O4/BiFeO3-BiVO4异质结确实被极化，表现出了铁电特性，而且通过PFM mapping图可看到在10μm的区域内极化程度很均匀，材料也很均匀，说明制备的Co3O4/BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜很均匀。
图6是不同衬底下Co3O4/BiFeO3-BiVO4光电流密度图和电化学面积图，可以看到碳片衬底的Co3O4/BiFeO3-BiVO4电化学面积最大，因此表现出最大光电流密度。不同材料经过30V电压极化后，起始位点和最大光电流密度见表1所示。
表 1. 起始位点和最大光电流密度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
通过表1可以看到实施例1的Co3O4/BiFeO3-BiVO4经过30V电压极化后，起始位点最靠前，最大光电流密度最大，远远大于之前报道的光阳极。解决了现办法分解水产氧电流小，效率低的问题。

Claims (6)

1.一种压电增强光电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）提供一导电衬底，预处理后，进行亲水活性处理，干燥后，得到亲水导电衬底；
（2）将乙酰丙酮氧钒溶于乙酰丙酮中，得a溶液，乙酰丙酮铁溶于乙酰丙酮中，得b溶液，硝酸铋溶于去离子水中，得c溶液，将a溶液、b溶液、c溶液进行混合，得混合溶液，混合溶液中(V+Fe):Bi的离子摩尔比为1:1；将混合溶液超声处理后再加热搅拌蒸发，得前驱体凝胶；
a溶液中乙酰丙酮氧钒的浓度为0.01-0.05M，b溶液中乙酰丙酮铁的浓度为0.01-0.05M，c溶液中硝酸铋的浓度为0.1-0.3M；
混合溶液中V：Fe离子摩尔比为（1-7）:（3-10）；超声时间为20-40min，热搅拌蒸发温度为70-90oC，时间为20-26h；
（3）将前驱体凝胶旋涂到亲水导电衬底上，干燥，得前驱体薄膜衬底；
（4）将前驱体薄膜衬底在空气中升温至350oC-550oC进行退火，移除衬底，得BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜；
（5）将BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜朝上放入烧杯中，加入 Co(NO3)2·6H2O溶液，搅拌后静置0.5-2h，然后倒入二-甲基咪唑溶液，静置3-6h，取出样品，冲洗、干燥、烧结，得Co3O4/BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜；Co(NO3)2·6H2O溶液的浓度为0.02-0.06，单位: g/mL，二-甲基咪唑溶液的浓度为0.02-0.05，单位: g/mL；
（6）对Co3O4/BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜进行极化，得压电增强光电催化剂；
所述的极化为以Co3O4/BiFeO3-BiVO4纳米异质结薄膜为负极，Pt为正电极，加压10-30V进行压电极化。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的导电衬底为碳片、FTO、ITO、Zn或n-Si。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，导电衬底的厚度为0.5mm-2mm；导电衬底的预处理为将衬底依次放入丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，去除表面杂质；亲水活性处理为用氧等离子体进行亲水活性处理，氧等离子体处理时间为10-20min，通入氧气流量10～50sccm，功率50～120W。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，旋涂转速为2500-3500rpm，旋涂时间为25-35s，旋涂次数为1-6次，干燥温度为70-90oC，干燥时间为8-15min；
步骤（4）中，升温至350-550℃的速率为5-10oC/min，退火时间为60-120min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，Co(NO3)2·6H2O溶液与二-甲基咪唑溶液的体积比为1:1；干燥温度为70-90oC，干燥时间为8-15min；烧结为在空气中升温至350oC-550oC进行烧结170-190min，升温速率5-10oC/min。
6.一种压电增强光电催化剂，采用权利要求1的方法制备得到。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102949991A (zh) * 2012-11-09 2013-03-06 陕西科技大学 一种溶胶-凝胶法制备具有光催化性能的BiVO4 薄膜的方法
CN105803476A (zh) * 2016-03-15 2016-07-27 西南大学 铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极和制备方法及其在光解水制氢的应用
CN109289859A (zh) * 2018-10-09 2019-02-01 沈阳工业大学 Co3O4/BiFeO3异质结光催化剂的制备方法及其在还原六价铬的应用
CN110227478A (zh) * 2019-07-10 2019-09-13 西北师范大学 通过旋涂煅烧制备钴氧化物/钒酸铋复合材料的方法
CN111514901A (zh) * 2020-06-01 2020-08-11 南昌航空大学 一种压电/半导体异质结催化剂的制备方法
CN112619647A (zh) * 2020-11-16 2021-04-09 江苏大学 Co-MOF衍生的四氧化三钴复合二氧化钛异质结的制备方法及电解水应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102949991A (zh) * 2012-11-09 2013-03-06 陕西科技大学 一种溶胶-凝胶法制备具有光催化性能的BiVO4 薄膜的方法
CN105803476A (zh) * 2016-03-15 2016-07-27 西南大学 铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极和制备方法及其在光解水制氢的应用
CN109289859A (zh) * 2018-10-09 2019-02-01 沈阳工业大学 Co3O4/BiFeO3异质结光催化剂的制备方法及其在还原六价铬的应用
CN110227478A (zh) * 2019-07-10 2019-09-13 西北师范大学 通过旋涂煅烧制备钴氧化物/钒酸铋复合材料的方法
CN111514901A (zh) * 2020-06-01 2020-08-11 南昌航空大学 一种压电/半导体异质结催化剂的制备方法
CN112619647A (zh) * 2020-11-16 2021-04-09 江苏大学 Co-MOF衍生的四氧化三钴复合二氧化钛异质结的制备方法及电解水应用

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Cobalt-Based Metal–Organic Framework as Cocatalyst on BiVO4 Photoanode for Enhanced Photoelectrochemical Water Oxidation;Wang Zhang et al.;《ChemSusChem》;20180719;第2710-2716页 *
Facile synthesis of magnetic Co3O4/BFO nanocomposite for effective reduction of nitrophenol isomers;Xuefeng Shi et al.;《Chemosphere》;20181206;第914-922页 *
Guoxia Liu et al..Nanoporous Fe-doped BiVO4 Modified with-MIL-53 (Fe) for-Enhanced Photoelectrochemical Stability and-Water Splitting Perfromances.《Catalysis Letters》.2018,第870-875页. *
MOF-derived Co3O4 thin film decorated BiVO4 for enhancement of photoelectrochemical water splitting;Dongbo Xu et al.;《Applied Surface Science》;20190618;第497-504页 *
Visible-light-induced Fe-doped BiVO4 photocatalyst for contaminated water treatment;Chhabilal Regmi et al.;《Molecular Catalysis》;20171231;第220-231页 *
Zhiyuan Yang et al..Ferroelectric-enhanced BiVO 4 -BiFeO 3 photoelectrocatalysis for efficient,stable and large-current-density oxygen evolution.《Applied Materials Today 》.2022,第1-10页. *
双铁电复合材料的制备及其光电化学性能研究;张亚萍等;《无机材料学报》;20200522(第09期);第987-992页 *

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