[发明专利]Ge掺杂的α相三氧化二铁纳米片阵列薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原位构筑Ge掺杂α-Fe₂O₃纳米片阵列薄膜的技术，尤其涉及一种Ge掺杂的α相三氧化二铁纳米片阵列薄膜的制备方法。

背景技术

探索和发展具有优越光解水性能的光阳极催化材料，以期获得清洁、高效、安全、绿色的氢能源是解决日益加剧的能源危机问题的重要途径。α-Fe₂O₃是一种典型的窄带隙（能够吸收可见光）半导体材料，其禁带宽度为2.1-2.2eV，因此能够利用大约40%的太阳光能量，且太阳能转换成氢能效率的理论值能达到12.9%，这使其光解水制氢领域具有广阔的应用前景。此外，α-Fe₂O₃的成本低廉，无毒无害，地壳中蕴藏丰富，而且在氧化环境和碱性条件下具有很高的化学稳定性以及光电化学稳定性，因此α-Fe₂O₃是光解水制氢体系中非常理想的光阳极催化材料。然而，纯相α-Fe₂O₃也存在一些非常明显的劣势，例如，空穴扩散距离短（<5nm），光生载流子寿命短暂（约为10^-12S），载流子迁移率和电导率低，而且表面的动力学反应缓慢，光吸收效率很低等等，这些缺点在很大程度上降低了α-Fe₂O₃的光电化学性能，影响其在光解水制氢领域的应用前景。

为解决这些α-Fe₂O₃本身存在的缺点，对α-Fe₂O₃光阳极材料进行掺杂和结构纳米化是最为常用和有效的措施。通过掺杂产生相应的浅能级，可有效改变带隙结构，增加光吸收效率；提高载流子浓度，减小电阻；缩短耗尽层的宽度，有效分离空穴-电子对。结构纳米化即控制α-Fe₂O₃纳米材料的形貌、尺寸以及微观结构，这对于提高α-Fe₂O₃的光电化学性能同样非常重要。例如，控制α-Fe₂O₃的尺寸到10nm左右，可以有效解决其空穴扩散距离短的问题，而且结构纳米化使得α-Fe₂O₃光阳极材料具有很大的比表面积，可有效增加反应活性区域。因此探索合适的技术同时完成对α-Fe₂O₃纳米材料的掺杂和纳米结构化是非常关键的科学问题。

现有技术中，为了更方便地将α-Fe₂O₃纳米材料应用到光解水领域，通常都需要将α-Fe₂O₃纳米材料固定在特定的导电基底，然后才能进行光解水实验。相比较于分散的α-Fe₂O₃纳米晶，直接在导电基底上原位构筑的α-Fe₂O₃薄膜更具有优势，不仅省去了粉体涂覆的步骤，还能够显著降低基底/α-Fe₂O₃之间的界面电阻，有助于光生载流子的传输并减少空穴-电子对的复合，从而更有效地提高其光电化学性能。较为常用的薄膜制备方法主要有常压化学气相沉积（APCVD）、原子层沉积（ALD）、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）、磁控溅射等。

尽管上述现有技术的这些方法具有操作技术成熟，薄膜厚度易控制等优点，但是比较依赖于昂贵的仪器，而且很难同时完成对α-Fe₂O₃纳米材料的掺杂和纳米结构化。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低、能够有效控制α-Fe₂O₃纳米结构的Ge掺杂的α相三氧化二铁纳米片阵列薄膜的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的Ge掺杂的α相三氧化二铁纳米片阵列薄膜的制备方法，包括步骤：

A、以水热法在FTO导电玻璃基底上制备β-FeOOH纳米棒阵列薄膜；

B、以所述β-FeOOH纳米棒阵列薄膜为基底模板，以Ge纳米胶体溶液为杂质原子Ge的反应前驱体，经过水热处理，获得Ge掺杂的α-Fe₂O₃纳米片阵列薄膜。