[发明专利]一种纳米六边形氧化铁的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电催化剂制备技术，特别是关于一种具有可见光吸收性的六边形纳米氧化铁催化剂的制备方法。

背景技术

纳米氧化铁作为一种绿色功能材料，具有优异的光催化、电催化和光电转换性能，广泛应用于光催化制氢，光降解和电催化剂等领域。当今世界中，提高赤铁矿的光电转换效率的研究主要集中在两个方面：1）通过制备方法的探究改变赤铁矿的纳米形貌和结构，例如Jay Reddy，YatLi等人通过改变煅烧条件改变赤铁矿的光电流密度；2）对赤铁矿进行元素掺杂或表面元素担载，改变持铁矿的光电性能，。本专利主要采用水热合成法在导电基底上制备形貌可控的氧化铁纳米颗粒，由于其比表面积大，能够提供电子传输的扩散通道以及光生载流子传输性能优异等特点，因此在光电解制氢等领域已显示出极大的应用前景。

近年来随着纳米科技的快速发展，人们的大量研究集中于具有良好的晶型和形貌，优异物理性能和化学特性的纳米结构材料，并将其应用于催化领域。相比有其他材料，纳米颗粒具有以下几个优势：（1）纳米级的颗粒具有更大的比表面积，从而增加催化剂和反应物质及溶液的接触；（2）纳米颗粒可以暴露更多的活性位点，从而提高催化剂的催化效率；（3）纳米结构在光电催化中能提高光生载流子从而增大材料的光电转换效率。α-Fe₂O₃作为一种n型半导体，具有良好的光电化学稳定性和较窄的半导体宽度可以吸收太阳能中将近50％的能量。因此制备出具有六边形纳米氧化铁催化剂特别是具有在可见光吸收的六边形纳米氧化铁在光电催化及电催化领域有非常重要的应用价值。

发明内容

我们发明了一种简单可行的方法制备出具有六边形纳米形貌的氧化铁催化剂，并发现其在电催化和光电催化中的应用。本发明的目的在于针对六边形纳米形貌氧化铁提出一种可以广泛应用的制备方法。该法具有操作简单，廉价易得，制备的薄膜形貌为六边形纳米颗粒及利于大规模制备等优点。

一种六边形氧化铁纳米颗粒的制备方法，其特征在于：预处理导电基板后，将导电基板浸入含有Fe³⁺前驱体溶液中利用高温水热法在其表面沉积一层铁的羟基氧化膜；再将所得的薄膜彻底清洗后置于空气中高温煅烧，得到氧化铁薄膜，按此方法制备的氧化铁具有均匀的六边形纳米形貌。

具体制备步骤包括：

1）预处理过程如下：首先将导电基板分别依次放入丙酮，乙醇和去离子水中超声清洗，经去离子水溶液清洗后吹干，将导电基板不需要沉积的导电面及背面密封；

2）水热合成过程：是利用水热釜形成高压的环境，经预处理后的导电玻璃置于水热釜内胆中，向其中加入含有0.1-1M的硝酸钠和0.01-0.5M的Fe³⁺前驱体水溶液；用0.1-2M的盐酸溶液调节前驱体溶液的pH值为0.5-2，并搅拌均匀；将水热釜密封完成后放入烘箱中加热0.5-24h；反应完成后水热釜快速冷却至室温；

3）从水热釜中取出导电基板，经去离子水清洗后去除密封介质，将所得的导电基板放入400-800℃的气氛中煅烧0.5-8h，自然冷却至室温，得到氧化铁薄膜，按此方法制备的氧化铁具有均匀的六边形纳米形貌；

所述的导电基板为导电玻璃（FTO）或其他导电平板，如Ti板，不锈钢板等；

所述的导电玻璃表面电阻为≥10Ω/sq，表面导电层厚度≥300nm，导电玻璃厚度≥2mm，如氧化铟锡导电玻璃（ITO）或掺F的氧化铟锡导电玻璃（FTO）等；其他导电平板为至少有一面导电的基质板，如Ti板，不锈钢板等；

所述的密封介质采用绝缘耐高压介质（如绝缘胶带等）进行密封，并在水热反应过后将密封介质除去；

所述的Fe³⁺的前驱体水溶液为0.01-0.5M的FeCl₃、Fe₂(SO₄)₃、Fe(NO₃)₃或其他含有Fe³⁺离子的溶液；

所述将反应釜快速冷却的方法可将其置于防爆冰箱中，待其快速冷却至室温；

所述水热反应的温度为150-200℃，水热反应的时间为0.5-24h；

所述煅烧过程的温度为400-800℃，煅烧反应的时间为0.5-8h。

所述煅烧过程的一定气氛为空气、氨气或者99.9％的氮气等

本发明的特点及有益效果为：

(1）本发明将导电基板作为沉积的基板，合成过程利用水热法过程制备光电催化剂；