本發(fā)明涉及氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜，具體涉及一種Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

在眾多氧化物半導體中，α-Fe₂O₃屬于熱力學最穩(wěn)定的晶型，與寬禁帶半導體氧化物相比，其能夠吸收太陽光波長高達554nm，可捕獲到40％太陽光能量。α-Fe₂O₃理論最大光能轉(zhuǎn)化為化學能效率(Photoconversion Efficiency of Light Energy to Chemical Energy，ε)為12.9％，超過美國能源部對實際應(yīng)用半導體的ε至少為10％的要求，再加上其具有成本低，無毒、化學穩(wěn)定性高(pH>3)等優(yōu)點，受到越來越多的研究者青睞。但α-Fe₂O₃半導體薄膜具有自身電子遷移能力差(0.01cm2/V.s4to 0.1cm2/V.s4)，電子和空位復合率高，且空穴擴散長度短(2-4nm)等缺陷，在一定程度上限制了其應(yīng)用。針對上述缺陷，現(xiàn)有技術(shù)中開發(fā)出納米管陣列結(jié)構(gòu)的α-Fe₂O₃薄膜，改善了α-Fe₂O₃半導體薄膜的上述缺陷，然而，仍舊存在光電化學性能不夠高的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供了一種Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜，通過進行Ag摻雜改善了納米管陣列結(jié)構(gòu)的氧化鐵薄膜的光電化學性能；另外，本發(fā)明還同時提供了上述氧化鐵薄膜的制備方法。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

1.一種Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜，將氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜浸漬于含Ag溶液中進行超聲處理，氮氣吹干后置于80-120℃條件下烘干，然后置于450-500℃氬氣氛圍中熱處理3.5-5h即可獲得。

優(yōu)選的，將氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜浸漬于0.06mol/L的AgNO₃溶液中進行超聲處理，超聲功率20KHz，超聲時間30min；超聲完畢后氮氣吹干，然后置于80℃馬弗爐中烘干12h，最后置于500℃氬氣氛圍中熱處理4h即可獲得。

優(yōu)選的，所述AgNO₃溶液是將AgNO₃溶于體積分數(shù)95％的乙醇中配制成。

優(yōu)選的，所述氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜采用陽極氧化法在碳鋼上制備。

優(yōu)選的，述陽極氧化法的具體條件包括：工作電極為碳鋼，對電極為Ti-Pt，兩電極之間的距離為4cm；電解液為氟化銨、水和乙二醇的混合溶液，其中，氟化銨濃度為0.1mol/L，水的體積分數(shù)為0.3％，其余為乙二醇；陽極氧化結(jié)束后，取出工作電極，分別在去離子水和無水乙醇中浸泡5s，氮氣吹干。

優(yōu)選的，所述碳鋼的化學成分為C 0.05wt.％，Si 0.01wt.％，Mn 0.25wt.％，P 0.015wt.％，Al 0.054wt.％，N 0.0049wt.％，其余為Fe；

碳鋼的處理包括如下步驟：將碳鋼加工為1cm×1cm×0.4cm的試樣，并采用環(huán)氧樹脂封裝，試樣暴露面積為1cm²；采用水砂紙逐級打磨，并選用0.3μm粒徑的Al₂O₃拋光，水洗，無水乙醇、水、無水乙醇中各超聲處理10min，氮氣吹干。

2.Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，包括如下步驟：將氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜浸漬于含Ag溶液中進行超聲處理，氮氣吹干后置于80-120℃條件下烘干，然后置于450-500℃氬氣氛圍中熱處理3.5-5h即可獲得。

需要說明的是，本發(fā)明中所述的氧化鐵均為α-Fe₂O₃。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過超聲輔助處理向氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜中摻雜Ag，獲得了Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜，該薄膜與未摻雜Ag的氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜相比，載流子濃度和光電流密度大幅度提高，光電化學性能更優(yōu)。另外，本發(fā)明方法操作簡單，產(chǎn)品易得，利于大規(guī)模地推廣到光電解水產(chǎn)氫、有機物染料污水處理。

附圖說明

圖1為摻雜與未摻雜Ag的氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜光照下在0.1M NaOH中Mott-Schottky曲線。通過分析發(fā)現(xiàn)，Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜的平帶電位(-0.402VAg/AgCl)負移約50毫伏，載流子濃度(3.06×10²¹)提高16倍。

圖2為摻雜與未摻雜Ag的氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜光照下在0.1M NaOH中的曲線。通過分析發(fā)現(xiàn)，在Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜的光電流密度比未摻雜Ag氧化鐵納米管明顯更高，如在0VAg/AgCl處Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜的光電流密度(0.314mA.cm^-2)是未摻雜的2倍多。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細描述。

一種Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜，該薄膜制備方法包括如下步驟：將氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜浸漬于含Ag溶液中進行超聲處理，氮氣吹干后置于80-120℃烘箱中烘干，然后置于450-500℃氬氣氛圍中熱處理3.5-5h即可；

優(yōu)選地，可采取如下方法：將氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜浸漬于0.06mol/L的AgNO₃溶液中進行超聲處理，超聲功率20KHz，超聲時間30min；超聲完畢后氮氣吹干，然后置于80℃馬弗爐中烘干12h，最后置于500℃氬氣氛圍中熱處理4h。其中，AgNO₃溶液可通過將AgNO₃溶于體積分數(shù)95％的乙醇中制成。

優(yōu)選地，氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜可采用陽極氧化法在碳鋼上制備，陽極氧化法的條件可以按如下設(shè)置：工作電極為碳鋼，對電極為Ti-Pt，兩電極之間的距離為4cm；電解液為氟化銨、水和乙二醇的混合溶液，其中，氟化銨濃度為0.1mol/L，水的體積分數(shù)為0.3％。

陽極氧化結(jié)束后，含Ag溶液浸漬前，可先將工作電極(外表面為氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜)在去離子水和無水乙醇中各浸泡5s，氮氣吹干。

工作電極中使用的碳鋼的化學成分可以是C 0.05wt.％，Si 0.01wt.％，Mn 0.25wt.％，P 0.015wt.％，Al 0.054wt.％，N 0.0049wt.％，其余為Fe。碳鋼在使用前需經(jīng)過處理，處理過程可包括如下步驟：將碳鋼加工為1cm×1cm×0.4cm的試樣，并采用環(huán)氧樹脂封裝，試樣暴露面積為1cm²；采用水砂紙逐級打磨至2000號水砂紙，并選用0.3μm粒徑Al₂O₃拋光，水洗，無水乙醇、水、無水乙醇中各超聲處理10min，氮氣吹干。

采用納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜作為工作電極，鉑作為對電極，Ag/AgCl為參比電極的三電極系統(tǒng)構(gòu)成光電化學電池檢測薄膜在1M NaOH溶液中的光電特性。光電化學電池采用石英窗作為入射窗口，采用140W氙燈。電化學工作站(EG&G273A)分析薄膜的光利用率和光電子傳輸和復合情況。采用Mott–Schottky技術(shù)分析薄膜在1M NaOH溶液中光照下載流子濃度，其中頻率為3000Hz，電位掃描范圍為-1.0到0.6V，掃描速度為50mV/s。采用動電位掃描技術(shù)監(jiān)測薄膜在光照和暗態(tài)下陽極極化曲線，電位掃描范圍為-0.5-0.4V，掃描速度為5mV.s^-1。將本發(fā)明所述方法制備的Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜與未摻雜Ag的氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜的光電化學性能進行對比，結(jié)果如圖1和圖2所示，與未摻雜相比，在1M AgNO₃溶液中Ag摻雜氧化鐵納米管陣列結(jié)構(gòu)薄膜的平帶電位(-0.402V_Ag/AgCl)負移約50毫伏，載流子濃度(3.06×10²¹)提高16倍，光電流密度(在0V_Ag/AgCl處0.297mA.cm^-2)明顯增加了2倍多。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。