[发明专利]一种基于PEDOT:PSS修饰的氮化钽光电极的制备方法

说明书

本发明属于光电催化光电极制备技术领域，具体涉及一种基于PEDOT:PSS修饰的氮化钽光电极的制备方法。本发明利用双源电子束沉积法和高温氮化法直接在金属基底上制备Ta₃N₅薄膜，并通过两步旋涂法和真空退火法使用PEDOT：PSS表面修饰Ta₃N₅薄膜，得到PEDOT：PSS表面修饰后的Ta₃N₅薄膜光电极。本发明使用PEDOT：PSS表面修饰未改变Ta₃N₅薄膜的晶体结构，不会遮挡和阻碍Ta₃N₅光电极对可见光的吸收，从而提升Ta₃N₅的空穴传输能力，且光电极空穴提取能力明显提升，使得光电催化性能明显提升，长时间光电化学稳定性得到提高。同时可以缩小能带带隙，扩宽可见光吸收范围，有效地提升光电极光电催化能力和光电化学活性。

技术领域

本发明属于光电催化光电极制备技术领域，具体涉及一种基于PEDOT:PSS修饰的氮化钽光电极的制备方法，PEDOT:PSS是导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸。

背景技术

Ta₃N₅具有合适的带隙，带隙为2.1eV能够吸收大部分的太阳辐射光谱，可吸收波长小于600nm的太阳光谱，具有合适的能带位置，其导带高于水的还原电位，价带低于水的氧化电位，可以实现光催化水分解。在众多光电极半导体材料中，Ta₃N₅是最有希望实现实际生产应用所需10％的STH转换效率。Ta₃N₅主要由氧化物Ta₂O₅前驱体氧化物高温氮化制备所得，导致Ta₃N₅材料中存在大量的孔隙，导致表相和体相复合比较严重，以及形成缺陷态抑制光电催化性能。

为解决上述问题，研究人员通过引入了作为空穴传输层(例如铁水化合物Fh、GaN涂层等)Ta₃N₅光电极进行表面覆盖处理，PEC水分解性能与稳定性都得到了一定的改善。但是在大多数情况下，涂敷空穴传输层之后，会遮挡和限制可见光的吸收，导致Ta₃N₅光电极的起始电位都高于0.8V_RHE，在低电位下的光电流普遍较低而且长时间光电化学稳定性也较差。因此需要探寻一种新型空穴传输层与Ta₃N₅光电极相结合的方法以提升光电催化分解水性能。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有引入空穴传输层的Ta₃N₅光电极存在可见光吸收较差、且存在抑制Ta₃N₅光电极体相和表相缺陷的问题，本发明提供了一种基于PEDOT:PSS修饰的氮化钽光电极的制备方法。

一种基于PEDOT:PSS修饰的氮化钽光电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、清洗金属基底。

步骤2、采用双源电子束沉积法制备厚度为100-700nm的钽基氧化物前驱体薄膜。

步骤3、将步骤2中制备好的钽基氧化物前驱体薄膜装入石英舟中并密封于高温管式炉中，在NH₃气氛中以1-20K/min的速度升温至1074-1474K，在1074-1474K下保温6-40h，随后以1-20K/min的速度降温至室温，制备得Ta₃N₅薄膜。

步骤4、采用两步旋涂法使用PEDOT:PSS溶液对步骤3中制备的Ta₃N₅薄膜进行表面修饰，PEDOT:PSS溶液为≤3wt％的水溶液。