一種摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極的製備方法與流程
2023-07-06 17:41:51 4
本發明涉及光催化技術領域，尤其涉及一種摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極的製備方法。
背景技術：
太陽光分解水制氫將成為提供清潔能源的一種有效途徑。光解水主要有兩種不同的方式：光催化和光電催化。光催化是在水溶液中分散一些光活性催化材料，光照時，在整個溶液中同時產生氫氣和氧氣。光電催化是採用光活性材料作為電極，組成光電化學電池，在陽極發生氧化反應析出o2，陰極發生還原反應析出h2，通過含水的電解質溶液連通兩電極和外電路，形成電流環路。相對於光催化而言，光電化學電池的優勢在於它可以有效地分離並收集o2和h2。
自從fujishima和honda首次報導利用tio2光電化學分解水以來，有關光陽極材料用於太陽能制氫的研究受到越來越多的關注。光陽極材料一般要滿足一些特殊要求：半導體帶隙窄；導帶位置比水的還原電位更負，價帶比水的氧化電位更正；光生載流子到水分解產物轉換效率高，液相環境中的穩定性高、成本低。
國內外最受關注的一些光陽極材料主要包括tio2、zns、α-fe2o3、bivo4、wo3等等，但在光電性能方面都有待進一步提高，其改進方法包括元素摻雜、形貌控制、表面修飾和構建異質結等。
發展可見光響應的光陽極材料是目前光電化學分解水研究的熱點。可見光佔總的太陽光能量的40％，其範圍在400～800nm，表明半導體的帶隙在1.56～3.12ev比較合適。一些fe基材料(如α-fe2o3、cafe2o4、znfe2o4等)、bi基材料(如bivo4)、ta基材料(如ta3n5)、w基材料(如wo3)以及cu2o等都滿足帶隙上的要求，這些材料都具有優良的光電化學性質，成為光陽極材料的重要體系。
由於α-fe2o3在自然界中廣泛存在，價格低廉、無毒等特點，使得α-fe2o3成為最具潛力的光陽極材料之一。但是差的導電率限制電荷的轉移，是赤鐵礦α-fe2o3用作光陽極的一個主要限制。摻雜被認為是解決這一問題的一種有效手段。摻雜具有電子給體的元素，如sn、si、ti等，能顯著地增加α-fe2o3的供體密度，從而提高導電率。
為了有效避免光生載流子複合和增強可見光吸收，設計合理的光電極結構對提高光電化學性質非常重要。與塊體材料相比，一維納米結構半導體材料能更有效地分離光生電子和空穴。因此，α-fe2o3一維的納米管、納米棒或納米線陣列是較好的材料結構體系。
本發明正式基於這一思路進行的材料設計，利用氧化鋁有序模板和電化學合成方法製備了含有摻雜元素的羥基氧化鐵納米線有序陣列，然後再對樣品進行煅燒處理得到離子摻雜氧化鐵納米線有序陣列。製備的摻雜氧化鐵納米線有序陣列是多晶結構，排列規整、尺寸均勻，具有較好的光催化性能，可作為光陽極在未來光解水制氫方面有著廣闊的應用前景。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種利用氧化鋁有序模板和電化學合成方法製備出離子摻雜氧化鐵納米線有序陣列的方法。
本發明提出的一種元素摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極材料，其形貌排列規整、尺寸均勻，其直徑為20～100nm，其長度為1～100μm；包括α-fe2o3:m納米線有序陣列，其中摻雜元素m為ti、sn、al、be、cu、mg、si中至少一種；摻雜元素m在元素摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極材料的含量為1-10％。
本發明提供了一種摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)在一個具有通孔的多孔氧化鋁模板的一面蒸鍍一層金屬作為導電基層，用去離子水洗淨待用；
(2)用去離子水配製含有fecl3·6h2o和(nh4)2c2o4·h2o的混合液，混合液的濃度為0.1～0.7mol/l，fecl3·6h2o和(nh4)2c2o4·h2o的摩爾比為1：2～5；接著添加0.05-0.5mol/l摻雜元素的氯鹽乙醇溶液至混合液中得到沉積液，混合液和摻雜元素的氯鹽乙醇溶液的體積比為20:1～10:1；
(3)將步驟(2)得到的沉積液放入沉積槽內，採用雙電極交流電化學方法進行沉積，採用步驟(1)得到的蒸鍍後多孔氧化鋁模板作為電極，採用高純度的碳作為對電極，交流電的頻率為60hz，交流電的電壓為15v，沉積時間為5～60min；
(4)取出步驟(3)得到的沉積後氧化鋁模板，用去離子水清洗乾淨，然後升溫至500～700℃，煅燒1～3h；
(5)將步驟(4)得到的煅燒後物料用0.2～0.5mol/lnaoh水溶液去除氧化鋁模板得到元素摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極材料。
本發明的有益效果是：製備出的α-fe2o3一維納米線陣列結構，通過元素摻雜進一步提高其光電特性，有利於提高光解水制氫效率，對於促進太陽能制氫技術發展具有積極意義。
附圖說明
圖1為本發明實施例1所得α-fe2o3:ti納米線有序陣列的形貌圖；其中(a)為α-fe2o3:ti納米線有序陣列的sem照片；(b)為α-fe2o3:ti納米線有序陣列的tem照片。
圖2為本發明實施例1所得α-fe2o3:ti納米線有序陣列的xrd圖。
具體實施方式
本發明提出的一種元素摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極材料，其形貌排列規整、尺寸均勻，其直徑為20～100nm，其長度為1～100μm；包括α-fe2o3:m納米線有序陣列，其中摻雜元素m為ti、sn、al、be、cu、mg、si中至少一種；摻雜元素m在元素摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極材料的摩爾含量為1-10％。
本發明提供了一種摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)在一個具有通孔的多孔氧化鋁模板的一面蒸鍍一層金屬作為導電基層，用去離子水洗淨待用；
(2)用去離子水配製含有fecl3·6h2o和(nh4)2c2o4·h2o的混合液，混合液的濃度為0.1～0.7mol/l，fecl3·6h2o和(nh4)2c2o4·h2o的摩爾比為1：2～5；接著添加0.05-0.5mol/l摻雜元素的氯鹽乙醇溶液至混合液中得到沉積液，混合液和摻雜元素的氯鹽乙醇溶液的體積比為20:1～10:1；
(3)將步驟(2)得到的沉積液放入沉積槽內，採用雙電極交流電化學方法進行沉積，採用步驟(1)得到的蒸鍍後多孔氧化鋁模板作為電極，採用高純度的碳作為對電極，交流電的頻率為60hz，交流電的電壓為15v，沉積時間為5～60min；
(4)取出步驟(3)得到的沉積後氧化鋁模板，用去離子水清洗乾淨，然後升溫至500～700℃，煅燒1～3h；
(5)將步驟(4)得到的煅燒後物料用0.2～0.5mol/lnaoh水溶液去除氧化鋁模板得到元素摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極材料。
下面，通過具體實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。
實施例1
本發明提供了一種摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)採用陽極氧化法自行製備具有通孔的多孔氧化鋁模板，其孔徑為70nm，在具有通孔的多孔氧化鋁模板蒸鍍一層金屬作為導電基層，去離子水洗淨待用；
(2)用去離子水配製含有fecl3·6h2o和(nh4)2c2o4·h2o的混合液，混合液的濃度為0.5mol/l，fecl3·6h2o和(nh4)2c2o4·h2o的摩爾比為1：3；接著添加0.5mol/lticl4的乙醇溶液至混合液中得到沉積液，混合液和摻雜元素的氯鹽乙醇溶液的體積比為20:1；
(3)將步驟(2)得到的沉積液放入沉積槽內，採用雙電極交流電化學方法進行沉積，採用步驟(1)得到的蒸鍍後多孔氧化鋁模板作為電極，採用高純度的碳作為對電極，交流電的頻率為60hz，交流電的電壓為15v，沉積時間為10min；
(4)取出步驟(3)得到的沉積後氧化鋁模板，用去離子水清洗乾淨，然後升溫至600℃，煅燒2h；
(5)將步驟(4)得到的煅燒後物料用0.5mol/lnaoh水溶液去除氧化鋁模板得到元素摻雜氧化鐵納米線有序陣列光陽極材料，即α-fe2o3:ti納米線有序陣列，其中ti含量為5％，其直徑為40～60nm，長度為20μm，其形貌如圖1所示，其xrd曲線如圖2所示。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。