[发明专利]铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极和制备方法及其在光解水制氢的应用

说明书

技术领域

本发明属于光解水制氢领域，具体涉及一种铁酸铋修饰钒酸铋光阳极及其制备方法和在光解水制氢的应用。

背景技术

氢能作为一种清洁环保，燃烧热值高，利用途径多，被认为是一种理想的二次能源，但它必须通过一次能源获得。目前，工业上大规模制氢主要采用天然气热裂解的方法，这种方法消耗了有限的化石能源，也带来严重的环境污染。因此，利用太阳能分解水制氢将是未来大规模制氢的重要来源之一。光化学电池是一种利用湿化学方法将太阳能直接转化成化学能的系统，它利用半导体与电解液的直接接触来达到太阳能转化和存储的目的。开始有人利用TiO₂作为工作电极，Pt作为对电极，组成光电电化电池。这种光电电化学电池在高压泵灯的照射下，能将H₂O分解成H₂和O₂，虽然TiO₂电极显示了非常好的光稳定性，但是TiO₂的带隙太宽，不能吸收大部分的可见光，因此，太阳能转换效率太低，无法实用化。因此提高太能能转换效率主要是通过优化光电电池分解水的核心器件——半导体电极。

目前主要研究的光电极材料包括非氧化物材料和氧化物材料，非氧化物材料制备成本高及光腐蚀现象严重，目前已经很少人关注。氧化物材料由于电极通常较稳定，制备方法简单，成本低廉，受人们广泛关注，主要集中在TiO₂、WO₃、Fe₂O₃、BiVO₄等。其中BiVO₄具有储量丰富、成本低廉和在中性溶液中稳定性很好的特点，并且其拥有相对于标准氢电极2.4V的价带边，可很好地用来催化水，同时其还具有2.4eV的窄带隙，能够吸收可见光516nm以下的太阳光。BiVO₄的理论光解水效率为9.2％，相当于光电流密度7.5mA cm^-2，但是BiVO₄实际的光解水效率远低于其理论效率，本征BiVO₄光阳极的电流密度仅为0.42mA cm^-2，这主要是由以下三方面原因造成:(i)电子输运差和表面缺陷高造成的高达60-80％的电荷复合；(ii)氧析出动力学过程慢和(iii)导带边略低于可逆氢电位。

所以如何提高BiVO₄光解水制氢效率是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极及其在光解水制氢的应用，将BiVO₄修饰到FTO导电玻璃材料表面，然后将BiFeO₃包裹在半导体材料表面，形成均匀的钝化层和催化层。采用铁酸铋修饰钒酸铋的光阳极用于光解水制氢可以有效解决BiVO₄电极的电荷复合严重和氧析出动力学缓慢的问题，且电极光解水性能可通过外加电场调控BiFeO₃电极化方向而进行调控。

为达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：

1、BiFeO₃修饰的BiVO₄光阳极，所述光阳极包括导电玻璃及修饰在导电玻璃表面的BiVO₄层，所述光阳极还包括修饰在BiVO₄层表面的BiFeO₃层。

优选的，所述BiFeO₃层厚度为20-100nm。

更优选的，所述BiFeO₃层厚度为20nm。

2、所述BiFeO₃修饰的BiVO₄光阳极的制备方法，包括以下步骤：

1)制备BiVO₄光阳极：将Bi(NO₃)₃、NH₄VO₃溶解至2-3mol/L的HNO₃溶液中并均匀混合，将清洗后的FTO导电玻璃浸泡到上述溶液中3-30s，取出后水平放置晾干，然后在450-500℃温度条件下退火2-4h；