專利名稱：一種具有微納結(jié)構(gòu)的α-Fe₂O₃光電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有微納結(jié)構(gòu)的α -Fe2O3光電極的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著能源問題的提出，尋找清潔、可再生能源成為一個重要的研究內(nèi)容。其中，利用太陽能光催化分解水制氫被視為一種重要的清潔能源制備技術(shù)，受到了國內(nèi)外科學(xué)家的高度關(guān)注。太陽能光催化分解水制氫的原理為光照射在半導(dǎo)體上，當(dāng)光子的能量大于或相當(dāng)于半導(dǎo)體的禁帶寬度時，半導(dǎo)體內(nèi)電子受激發(fā)從價帶躍遷到導(dǎo)帶，而空穴則留在價帶，使電子和空穴發(fā)生分離，然后分別在半導(dǎo)體的不同位置將水還原成氫氣。α -Fe2O3是一種典型的η型半導(dǎo)體材料，禁帶寬度& = 2. IeV,是外界條件下最穩(wěn)定的鐵氧化物，對可見光具有很強的光吸收能力。利用α-Fe2O3作為光電極(光催化劑) 分解水制氫是α -Fe2O3的重要應(yīng)用，相比于其它光催化劑，如ZnIn2S4, Y2Ta2O5N25PbBi2Nb2O9, Sr2SnO4, Tii2O5等，α-Fe2O3具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制備簡便、穩(wěn)定、能吸收可見光等諸多優(yōu)點，因此尋求高效的基于α-Fe2O3光催化劑具有重要的實際意義。目前α-Fe52O3光電極的制備方法主要有溶液法，磁控濺射，化學(xué)氣相沉積等，這類方法制備溫度高(> 40(TC )， 工序繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種具有微納結(jié)構(gòu)的α -Fe2O3光電極的制備方法，該方法設(shè)備簡單，能耗低，適合大規(guī)模生產(chǎn)；同時用該法制備的所制得的微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3呈球形，可以對光進行全方位的反射，同時微米球表面分布很多納米帶，可進一步增強電極的比表面積，作為光電極，其光的利用率高，電流密度大。本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明的目所采用的技術(shù)方案是一種具有微納結(jié)構(gòu)的α -Fe2O3光電極的制備方法，其具體作法是a、處理金屬基片取不銹鋼片和鈦片，使其面積比為2.5(不銹鋼片面積為3. 6cm2，鈦片面積為 1. 44cm2)，依次用400，600，800目的砂紙拋光，并用去離子水和無水乙醇清洗3_5次；將洗凈的上述材料放在無水乙醇中超聲30分鐘，取出備用；b、配置電鍍液電鍍液為50mL濃度為450g/L的FeCl2溶液，加入抗環(huán)血酸0. 0722g，氟化銨 0. 0444g，復(fù)合氨基酸0. 034 作為穩(wěn)定劑，檸檬酸0. 004 作為緩沖劑；加入2. 5mL濃度為 lmol/L的鹽酸提供酸性環(huán)境；C、電鍍以鈦片做陰極，不銹鋼片做陽極，采用穩(wěn)壓直流電源；電流0. 1A，電鍍時間分別 3-5s ；室溫30°C ；電鍍完成后將鈦片取出用無水乙醇清洗，自然晾干，即在鈦片上獲得了納米鐵立方體；
d、熱氧化將覆蓋有納米鐵立方體的鈦片至于馬弗爐中，350°C下焙燒10h，取出即得微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極；本發(fā)明方法的可能機理是d步的熱氧化鐵首先被氧化為i^eO，F(xiàn)eO被氧化為狗304，表面的!^e3O4進一步熱氧化為α -Fe2O3 微納結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用電鍍方式，基底為鈦，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都很好，可以做穩(wěn)定的電子接收電極，所制得的α -Fe2O3納米結(jié)構(gòu)呈球形，可以對光進行全方位的反射，以增強光的利用率，同時微米球表面分布很多納米帶，可進一步增強電極的比表面積。其光的利用率高，電流密度大。測試證明，本發(fā)明制備的光電極在1. 23V條件下，可產(chǎn)生1. 2mA/cm2的電流密度。


圖1是本發(fā)明實施圖2是本發(fā)明實施圖3是本發(fā)明實施圖4是本發(fā)明實施圖5是本發(fā)明實施圖6是本發(fā)明實施
電鍍制得的鐵納米晶體的掃描照片(SEM)。 制備的α-Fe2O3光電極的掃描照片(SEM)。 制備的α -Fe2O3光電極的X射線衍射分析(XRD)。 制備微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極的I-V特性曲線。 制備的α-Fe2O3光電極的掃描照片(SEM)。 制備微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極的I-V特性曲線。
具體實施例方式實施例一本發(fā)明的一種具體方式是，一種具有微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極的制備方法，其具體作法是a、處理金屬基片取不銹鋼片和鈦片，使其面積比為2.5(不銹鋼片面積為3. 6cm2，鈦片面積為 1. 44cm2)，依次用400，600，800目的砂紙拋光，并用去離子水和無水乙醇清洗3次；將洗凈的上述材料放在無水乙醇中超聲30分鐘，取出備用；b、配置電鍍液電鍍液為50mL濃度為450g/L的FeCl2溶液，加入抗環(huán)血酸0. 0722g，氟化銨 0. 0444g，復(fù)合氨基酸0. 034 作為穩(wěn)定劑，檸檬酸0. 004 作為緩沖劑；加入2. 5mL濃度為 lmol/L的鹽酸提供酸性環(huán)境；C、電鍍以鈦片做陰極，不銹鋼片做陽極，采用穩(wěn)壓直流電源；電流0. 1A，電鍍時間分別 5s ；室溫30°C ；電鍍完成后將鈦片取出用無水乙醇清洗，自然晾干，即在鈦片上獲得了納米鐵立方體；d、熱氧化將覆蓋有納米鐵立方體的鈦片至于馬弗爐中，350°C下焙燒10h，取出即得微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極。圖1是實施例一電鍍制得的鐵納米晶體的掃描照片(SEM)。從圖1可見，在鈦基底上電鍍上了立方體形狀的鐵納米晶，尺寸為200-400nm。圖2是實施例一制備的a-F%03光電極掃描照片(SEM)。圖2表明，熱氧化后，鐵納米晶由于氧化膨脹為球形結(jié)構(gòu)，尺度變大，大部分在1微米左右；圖3是實施例一制備的 a-Fe2O3光電極的X射線衍射分析(XRD)。從圖3中可以看出，產(chǎn)物中含有a-F%03。根據(jù)熱氧化的原理，外表面分布為更穩(wěn)定的化合物，即a -Fe2O3 ；根據(jù)圖2和圖3可知，熱氧化后形成了外表面為a -Fe2O3的覆蓋有納米帶的球形結(jié)構(gòu)。圖4是實施例一制備微納結(jié)構(gòu)的a -Fe2O3光電極的I_V特性曲線。在1. 23V時，可獲得1. 2mA/cm2的電流密度。其具體的測試條件是采用三電極法測試I_V曲線，a -Fe2O3光電極為工作電極，在KCl溶液中的Ag/AgCl為參比電極，鉬片為對電極，電解液為0. Olmol/ L的NaSO4溶液；CHF-XM-500W型短弧氙燈作為AMI. 5G的模擬太陽光，輸入光強為IOOmW/ cm2，測試面積1cm2。實施例二本例的具體做法是a、處理金屬基片取不銹鋼片和鈦片，使其面積比為2.5(不銹鋼片面積為3. 6cm2，鈦片面積為 1. 44cm2)，依次用400，600，800目的砂紙拋光，并用去離子水和無水乙醇清洗5次；將洗凈的上述材料放在無水乙醇中超聲30分鐘，取出備用；b、配置電鍍液電鍍液為50mL濃度為450g/L的FeCl2溶液，加入抗環(huán)血酸0. 0722g，氟化銨 0. 0444g，復(fù)合氨基酸0. 034 作為穩(wěn)定劑，檸檬酸0. 004 作為緩沖劑；加入2. 5mL濃度為 lmol/L的鹽酸提供酸性環(huán)境；C、電鍍以鈦片做陰極，不銹鋼片做陽極，采用穩(wěn)壓直流電源；電流0. 1A，電鍍時間分別 4s ；室溫30°C ；電鍍完成后將鈦片取出用無水乙醇清洗，自然晾干，即在鈦片上獲得了納米鐵立方體；d、熱氧化將覆蓋有納米鐵立方體的鈦片至于馬弗爐中，350°C下焙燒10h，取出即得微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極。圖5是實施例二制備的α -Fe2O3光電極掃描照片(SEM)。圖5表明熱氧化后，鐵納米晶由于氧化膨脹為球形結(jié)構(gòu)，尺度變大，大部分在1微米左右。圖6是實施例二制備微納結(jié)構(gòu)的α -Fe2O3光電極的I_V特性曲線。從圖5、圖6可以看出，本實施例的熱氧化產(chǎn)物的形貌和I-V特性與實施例一中圖 2的熱氧化產(chǎn)物形貌、圖4的I-V特性變化不大。實施例三本例的具體做法是a、處理金屬基片
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取不銹鋼片和鈦片，使其面積比為2.5(不銹鋼片面積為3. 6cm2，鈦片面積為 1. 44cm2)，依次用400，600，800目的砂紙拋光，并用去離子水和無水乙醇清洗4次；將洗凈的上述材料放在無水乙醇中超聲30分鐘，取出備用；b、配置電鍍液電鍍液為50mL濃度為450g/L的FeCl2溶液，加入抗環(huán)血酸0. 0722g，氟化銨 0. 0444g，復(fù)合氨基酸0. 034 作為穩(wěn)定劑，檸檬酸0. 004 作為緩沖劑；加入2. 5mL濃度為 lmol/L的鹽酸提供酸性環(huán)境；C、電鍍以鈦片做陰極，不銹鋼片做陽極，采用穩(wěn)壓直流電源；電流0. 1A，電鍍時間分別 5s ；室溫30°C ；電鍍完成后將鈦片取出用無水乙醇清洗，自然晾干，即在鈦片上獲得了納米鐵立方體；d、熱氧化將覆蓋有納米鐵立方體的鈦片至于馬弗爐中，350°C下焙燒10h，取出即得微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極。
權(quán)利要求
1. 一種具有微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極的制備方法，其具體作法是a、處理金屬基片取不銹鋼片和鈦片，使其面積比為2. 5 (不銹鋼片面積為3. 6cm2,鈦片面積為1. 44cm2)， 依次用400，600，800目的砂紙拋光，并用去離子水和無水乙醇清洗3-5次；將洗凈的上述材料放在無水乙醇中超聲30分鐘，取出備用；b、配置電鍍液電鍍液為50mL濃度為450g/L的FeCl2溶液，加入抗環(huán)血酸0. 0722g,氟化銨0. 0444g, 復(fù)合氨基酸0. 0344g作為穩(wěn)定劑，檸檬酸0. 0043g作為緩沖劑；加入2. 5mL濃度為lmol/L 的鹽酸提供酸性環(huán)境；C、電鍍以鈦片做陰極，不銹鋼片做陽極，采用穩(wěn)壓直流電源；電流0. 1A，電鍍時間分別3- ； 室溫30°C ；電鍍完成后將鈦片取出用無水乙醇清洗，自然晾干，即在鈦片上獲得了納米鐵立方體；d、熱氧化將覆蓋有納米鐵立方體的鈦片至于馬弗爐中，350°C下焙燒10h，取出即得微納結(jié)構(gòu)的 α-Fe2O3光電極。
全文摘要
一種具有微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極的制備方法，具體作法是取不銹鋼片和鈦片，用砂紙拋光，清洗，將洗凈的材料超聲處理，取出備用；配制電鍍液，以鈦片做陰極，不銹鋼片做陽極，采用穩(wěn)壓直流電源電鍍時間分別3-5s，室溫30℃，電鍍完后將鈦片取出，洗凈，晾干，得納米鐵立方體，再將覆蓋有納米鐵立方體的鈦片至于馬弗爐中焙燒，取出即得微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3光電極。該方法設(shè)備簡單，能耗低，適合大規(guī)模生產(chǎn)；同時用該法制備的所制得的微納結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3呈球形，可以對光進行全方位的反射，同時微米球表面分布很多納米帶，可進一步增強電極的比表面積，作為光電極，其光的利用率高，電流密度大。
文檔編號B01J35/08GK102423706SQ20111034145
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者史占花, 楊峰, 趙勇 申請人:西南交通大學(xué)