[发明专利]一种铁酸锌与镍掺杂锌铟硫异质结的光电催化阳极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型的铁酸锌与镍掺杂锌铟硫异质结的光电催化阳极材料以及制备方法。实验通过精准有序的三次水热和滴涂实验方法，制备得到铁酸锌与镍掺杂锌铟硫异质结光电催化剂材料。该异质结的制备方法为：首先，采用去离子水、氯化铁、硝酸钠混合进行第一次水热反应制备羟基氧化铁；然后，在基底上滴涂定量配比溶剂溶解的硝酸锌溶液，进行干燥、烧结和氢氧化钠浸泡得到铁酸锌基底；然后，采用氯化锌、氯化铟、硫脲、氯化镍混合进行第二次水热反应制备镍掺杂的锌铟硫薄膜；最后，通过第三次水热反应负载一层钴铁氧钝化层。本发明制备的铁酸锌异质结，与普通的铁酸锌相比，具有性能优异，抗光腐蚀性能优异以及性能稳定等显著优点。

技术领域

本发明属于光电催化材料领域，具体涉及一种新型的铁酸锌与镍掺杂锌铟硫异质结的新型光电催化剂材料以及制备方法。

背景技术

传统的化石能源具有不可再生等特点，而且石油、天然气等资源存在地域分布不均匀的特点。煤炭、石油、天然气等化石能源在燃烧的过程中，容易造成相应的环境污染。氢能具有清洁无污染、资源储量丰富、能量密度高等诸多优点，而光电催化则是实现氢能转换的一条十分重要和优越的途径。光催化发生于表面，往往催化效率不高，需要克服溶液电阻等阻力，需要较大的过电势。光电催化通过施加偏压，可有效实现电子和空穴的分离，提高光电转化效率。因此，开发具有可见光活性的新型的光电催化光阳极催化剂已经成为一项重要的研究课题。

本发明的基底铁酸锌材料按照现有技术“Xiaodi Zhu,Néstor Guijarro,Yongpeng Liu,Pascal Schouwink,Rebekah A.Wells,Florian Le Formal,Song Sun,ChenGao,and Kevin Sivula,Spinel Structural Disorder Influences Solar-Water-Splitting Performance of ZnFe₂O₄ Nanorod Photoanodes,Adv.Mater.2018,1801612”的制备方案来进行参考制作，由于加热煅烧苛刻的实验细节，光电催化性能仅有0.4毫安/平方厘米，加以改进，探索最佳溶剂比例和煅烧气氛后，性能也仅为0.55毫安/平方厘米，但是本发明在铁酸锌基底的基础上，创造性地沉积了一层镍掺杂的锌铟硫薄膜，形成异质结，使得光电催化性能提升到0.98毫安/平方厘米，进一步地，在异质结的基础上，沉积了钴铁氧钝化层，使得性能提升到1.394毫安/平方厘米，较现有技术铁酸锌为基底的系列研究的最高性能，提升了39.4％。

本发明的锌铟硫薄膜制备方法在现有技术“Weiwei Xu,Wenchao Gao,LinxingMeng,Wei Tian,and Liang Li.Incorporation of Sulfate Anions and SulfurVacancies in ZnIn2S4 Photoanode for Enhanced Photoelectrochemical WaterSplitting.Adv.Energy Mater.2021,11,2101181”的基础上进行掺杂改良，使得铁酸锌一维纳米棒和锌铟硫二维纳米片良好地结合在一起，形成一种性能优异并且抗腐蚀性能优良的异质结。

公布号CN104350606B的专利公布了一种用于光电薄层太阳能电池的多层背电极及其用于制造薄层太阳能电池和模块的应用、包含多层背电极的光电薄层太阳能电池和模块及其制造方法。这种薄膜太阳能电池在半导体吸收层与前电极之间存在至少一个缓冲层，成分有锌、铟、硫、铬等元素。半导体吸收层可以是或包括四元黄铜矿层、五元黄铜矿层、尤其是锌黄锡矿层。CN104350606B专利与本发明专利的第二层钴掺杂的锌铟硫的纳米片化学元素成分相似，但是物质截然不同。本发明专利以铁酸锌一维纳米棒为基底，然后沉积一层镍掺杂的锌铟硫二维纳米片，形成一维和二维异质结，然后沉积一层铁钴助催化剂；合成方法为水热法和溶剂热法相结合，与物理气相沉积和化学气相沉积大有不同；同时本发明专利的应用场景和技术检测数据主要运用于光电催化制氧领域，与CN104350606B专利的太阳能电池领域有较大不同。