[发明专利]采用Ni1-xFexOOH修饰二氧化钛光阳极进行光电催化分解水制氢的方法

说明书

本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种采用Ni_1‑xFe_xOOH修饰二氧化钛光阳极进行光电催化分解水制氢的方法，其特征在于：采用三电极体系，分别以Ni_1‑xFe_xOOH修饰二氧化钛光阳极为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电解液为1mol L^‑1氢氧化钾溶液，在光源下分解水制氢，外加偏压为0.4V～1.6V vs.RHE。本发明采用Ni_1‑xFe_xOOH修饰二氧化钛光阳极用于光电催化分解水制氢，不仅可以有效抑制TiO₂光电极的载流子复合，而且有利于降低反应活化能，以促进光电极表面析氧反应，在电催化氧析出反应方面展现了比NiOOH和FeOOH更高的催化活性。

技术领域

本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极及其制备方法、在光电催化分解水中的应用。

背景技术

能源危机和环境污染是当今社会发展面临的严峻挑战，目前人们使用的燃料以煤、石油、天然气等化石能源为主，不仅储量有限且都是不可再生能源。面对这两大难题，当今世界正在经受前所未有的挑战，积极寻找来源丰富、绿色环保的可再生能源具有深远的战略意义。太阳能不仅资源丰富，而且不受地域限制，因此备受研究者的关注。氢能燃烧的唯一产物是水不会对环境造成污染，同时具有143kJ/kg的能量密度、来源丰富等优点，被广大研究者认为是最有前景的高效、绿色环保的可再生能源。因此，采用半导体光电催化技术利用太阳能直接将水分解产生氢气和氧气，并以氢气这种化学能的形式存储然后利用，是解决以上难题最有希望的方式。在太阳能光电催化分解水体系中，光电极材料是决定太阳能吸收和利用能力的关键因素，因此，选择合适的电极材料并对其加以修饰改性对提高其性能具有十分重要的影响。

二氧化钛的带隙位置合适、稳定性良好，满足理想光电极的条件，是目前研究最多的半导体材料之一。其中TiO₂几乎满足理想光电极的所有条件，但也存在可见光利用率低(只能吸收紫外光)、电子-空穴分离效率低和界面反应速率慢(～s级)等问题。这些缺陷成为其性能进一步提高及应用推广的瓶颈。为此，研究者一方面从提高光生电荷分离效率出发，将其与其他半导体复合，形成Type II型异质结[X.Zhang,B.Zhang,K.Cao,J.Brillet,J.Chen,M. Wang,Y.RHEn,J.Mater.Chem.A,2015,3,21630-21636]或p-n结[X.Zhang,H.Yang,B.Zhang, Y.RHEn,Adv.Mater.Interfaces,2016,3,1500273]，在内建电场作用下促进电子-空穴分离。另一方面通过电沉积或光助电沉积等方法在二氧化钛表面修饰助催化剂，如：电沉积制备CoNi LDH/TiO₂纳米管复合光电极[W.Chen,T.Wang,J.Xue,S.Li,Z.Wang,S.Sun,Small,2017, 1602420]，以及借助光照电沉积制备NiFe LDH/RGO/TiO₂纳米棒复合光电极[F.Ning,M.Shao, S.Xu,Y.Fu,R.Zhang,M.Wei,D.Evans,X.Duan,EnergyEnviron.Sci.,2016,9,2633-2643]。助催化剂不仅可以提供更多的反应活性位点，降低反应所需的活化能，也可以捕获光生空穴然后发生氧化反应，同时具有抑制载流子复合的作用，最终提高其光氢转换效率。但就目前而言，用于修饰TiO₂的助催化剂种类还十分有限，主要包括贵金属氧化物(RuO_x、IrO_x)，钴基化合物(CoNi LDH)，镍/铁基化合物(NiFe LDH)等，这就为研究者寻求新型、高效且廉价的助催化剂提供了挑战。研究表明在碱性环境中，由于Fe反应活性位点的影响， Ni_1-xFe_xOOH在电催化氧析出反应方面展现了比NiOOH和FeOOH更高的催化活性。

发明内容