[发明专利]一种Ti‑Fe2O3/Co‑Pi复合光电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种Ti-Fe₂O₃/Co-Pi复合光电极及其制备方法。

背景技术

当前，人类面临的主要挑战之一就是需要提供充足的能源来满足人们理想的生活水平。使用化石能源对当前的环境造成了极为严重的破坏，寻找新的和可持续的再生能源的任务迫在眉睫。太阳能具有清洁无污染、分布广泛、取之不尽和用之不竭的优点，已经成为当今世界的研究热点及重点之一。光电催化作为一种有效的利用太阳能制备清洁燃料和降解有机污染物的技术，在当今能源和环境领域扮演着极为重要的角色。

α-Fe₂O₃材料具有自然界中广泛存在，价格低廉、无毒等特点，是目前最具吸引力的用于研究光解水体系的半导体材料之一。α-Fe₂O₃禁带宽度为2.1 eV，对红外光和可见光均表现出较好的光电响应。但是，α-Fe₂O₃载流子迁移率低（0.2 cm² ·V^-1· s^-1），空穴扩散距离短(＜4 nm)，导电性差，这些自身存在的缺陷使 α-Fe₂O₃的实际光电流却远小于理论值（12.6 mA/cm²）。近年来，一般采用掺杂离子（如 Mg²⁺, Ti⁴⁺ 或 Sn⁴⁺ 等）的方法来提高其导电性能；通过控制形貌，尤其制备成一维纳米棒/线阵列结构缩短空穴扩散长度；采用表面修饰或与催化剂复合来提高α-Fe₂O₃的催化活性，降低超电势。

Co-Pi作为低廉的，自修复的析氧助催化剂，通过降低表面动力学能垒，可以促进光电极表面空穴转移，进而提高表面化学反应速率，并且降低光电流的起始电压。

发明内容

为了克服上述三氧化二铁光电极中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种Ti-Fe₂O₃/Co-Pi复合光电极及其制备方法。本发明通过沉积Co-Pi对Ti掺杂Fe₂O₃进行表面修饰，促进光生空穴从电极到电解液的转移，降低表面的电荷复合，从而提高其光电性能，具有良好的应用前景。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种Ti-Fe₂O₃/Co-Pi复合光电极的制备方法，包括如下步骤：

（1）清洗导电玻璃FTO；

（2）配制水热溶液，将FeCl₃·6H₂O和尿素溶于水中，得到混合溶液；

（3）在步骤（2）的混合溶液中加入钛源，得到水热溶液；

（4）将步骤（3）中的水热溶液倒入反应釜内衬，然后将步骤（1）清洗得到的FTO垂直或倾斜放入所述反应釜内衬中；

（5）将步骤（4）的反应釜密封之后，置于90~130℃的烘箱中进行水热反应；

（6）水热反应之后，取出FTO（FTO上形成β-FeOOH膜），再将FTO置于马弗炉中，在550~750℃下高温煅烧，制备出Ti-Fe₂O₃光电极；

（7）以Ti-Fe₂O₃光电极作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，含有硝酸钴的磷酸盐缓冲溶液作为电解液，在AM 1.5G模拟太阳光的照射下，外加电压0.1~0.3V进行光辅助电沉积钴磷，制备得到Ti-Fe₂O₃/Co-Pi复合光电极。

优选的，步骤（2）所述FeCl₃·6H₂O 和尿素在水热溶液中的浓度分别为（0.1~0.2）M和（0.1~0.2）M。

优选的，步骤（3）所述钛源的用量为10~20μL。

优选的，步骤（3）所述钛源为三氯化钛和四氯化钛中的至少一种；所述钛源。

优选的，步骤（5）所述水热反应的时间为3~12h。

优选的，步骤（6）所述高温煅烧的时间为0.5~2.5h。

优选的，步骤（7）所述电解液中硝酸钴的浓度为1~10 mM。