[发明专利]一种提高BiVO4

说明书

本发明公开了一种等离子刻蚀提高BiVO4光阳极光电化学性能的方法，按照以下步骤：清洗基材后干燥——基材置于沉积室，然后在基材表面采用直流磁控溅射法沉积钒酸铋薄膜，沉积5～60min后得光催化薄膜——光催化薄膜在300‑500^oC热处理2h，升温速度为1‑20^oC/min——光催化薄膜送入刻蚀室，采用直流等离子法刻蚀光催化薄膜，刻蚀5‑30min后即得优化的钒酸铋薄膜。该方法不需要额外引入材料，工艺简单，功耗低且能够实现连续大尺寸制备，取材方便价格相比贵金属低，整个操作过程稳定性和可重复性好。

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，特别涉及一种提高BiVO4光阳极光电化学性能的方法。

背景技术

随着社会经济与工业的飞速发展，人类对资源与能源的需求日益迫切，这引起了人们对于能源短缺与环境污染等问题的关注。太阳能作为一种新兴的可再生清洁能源，已经成为人们首选替代能源之一，因此高效地利用太阳能已经成为目前研究的重点和难点。实验研究表明，光催化氧化技术能有效地利用清洁、可再生的太阳能，光催化分解水产氢制氧以及光催化降解水和大气中的有机污染物，反应条件温和，因此可以有效地降低能耗，并减少副产物和二次污染的可能。这不仅能缓解能源短缺的问题，还能处理环境污染的问题，是一种具有良好发展前景的高效氧化技术。

光催化材料，能够直接将太阳能吸收转换成为化学能，被认为是解决目前环境与能源危机的极具前景的策略。BiVO4是一种应用非常广泛的黄色颜料, 该颜料的主要特点是色泽明亮、外观规整、色彩纯正。其组成元素来源广泛，具有化学和热稳定好、无毒、环境友好等特点，由于其具有窄的禁带宽度和合适的价带位置，BiVO4表现出优异的光催化降解有机污染物和光解水的能力，是一种具有良好热稳定性与光稳定性的半导体光催化材料。目前发现，自然界中BiVO₄的晶型有三种：四方锆石型、单斜白钨矿型和四方白钨矿型。其中，单斜相BiVO₄的禁带宽度Eg等于2.4eV，在紫外-可见光区域都有较好的吸收，在可见光降解有机污染物和光解水产氢制氧应用方面表现出最好的光催化活性。在AM1.5太阳光谱下，BiVO₄理论上能产生的最大光电流为7.6mA/cm²，最大理论光产氢的转换效率可达9.3%，此外，单斜型BiVO₄的导带底位于可逆氢电极附近，加载较低的偏压时便能裂解水，这意味着完整的光催化水分解过程中，BiVO4的产氢能耗小于其他可见光半导体。

催化反应发生的三个步骤，光谱吸收，并转化为光生电子-空穴对；光生电子-空穴对分离以及分别输运；输运至表面的空穴发生液相发生氧化反应或者电子与液相发生还原反应。其中上述氧化反应即为析氧反应，还原反应极为析氢反应。

钒酸铋薄膜体相缺陷密度非常高，光生载流子扩散距离短，使得复合严重，极大的抑制载流子及时分离，因此光电催化效率较低。目前常规提高钒酸铋薄膜光电化学性能的方法主要是构造异质结，负载贵金属，负载双层氢氧化物，构造多元结构等。但是构造异质结需要引入额外的材料，不仅使得工艺更加复杂，而且效率提升并不显著。贵金属因其稀有和昂贵等属性，限制了广泛应用，此外，负载贵金属材料需要非常精细的控制。双层氢氧化物是一种比较常用的氧助催化剂，然而稳定性限制了其应用。为此，我们提出一种提高BiVO4光阳极光电化学性能的方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种提高BiVO4光阳极光电化学性能的方法，通过控制直流电源刻蚀系统的压力，功率和气氛实现钒酸铋薄膜表面粗糙度，从而提高钒酸铋薄膜与液相的接触界面面积，界面接触面积增加有助提高载流子的迁移速率，促进光生载流子分离，最终是实现钒酸铋光阳极光电催化性能显著提升，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种提高BiVO4光阳极光电化学性能的方法，按照以下步骤：