本發(fā)明涉及一種制備鉭酸鑭氧氮化物(LaTaON₂)高效光電極的方法。

背景技術(shù)：

目前，人類社會的能量來源主要是化石燃料，而地球上探明的化石燃料的儲量不足以維持未來一百年的發(fā)展。同時，化石燃料的使用造成了溫室效應(yīng)，大大加劇了環(huán)境污染問題。另一方面，太陽在一秒內(nèi)輻照到地表上的能量就足以維持全球近千年的能量需求。因此，將太陽能轉(zhuǎn)換成我們生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的能源方式必將成為可持續(xù)發(fā)展的重要基石。太陽能轉(zhuǎn)換的一個重要目標(biāo)是將能量密度小、具有間歇性的太陽光轉(zhuǎn)換成能量密度更高并且易于儲存的能源。其中，氫氣具有能量密度高、可壓縮儲存、燃燒副產(chǎn)品為水等優(yōu)點(diǎn)，是太陽能轉(zhuǎn)換的理想目標(biāo)能源。光電化學(xué)分解水技術(shù)能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換成氫氣和氧氣，且以其潛在的低成本、高效、可分布式應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，有望成為太陽能轉(zhuǎn)換的主要方式，因此受到世界各國的關(guān)注。而到目前為止，光電化學(xué)分解水技術(shù)仍然缺乏高效、穩(wěn)定的光電極材料。

鉭酸鑭氧氮化物(LaTaON₂)能夠吸收到650nm的可見光，其太陽能-氫能轉(zhuǎn)化效率理論上達(dá)到18.5％，但其首次報道的太陽能-氫能轉(zhuǎn)化效率非常低[L.Zhang，Y.Song，J.Feng，T.Fang，Y.Zhong，Z.Li，Z.Zou，Int.J.Hydrogen.Energ.，39，7697-7704(2014)]。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種有效提高鉭酸鑭氧氮化物光電極的太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率的方法，推動光電化學(xué)分解水技術(shù)的發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種制備鉭酸鑭氧氮化物高效光電極的方法，包括：

(1)按照鑭鹽：鉭鹽：檸檬酸：乙二醇＝1:1:2～20:0～100的摩爾比例稱取原料，并溶解于有機(jī)溶劑中；

(2)將步驟(1)得到的溶液按照檸檬酸法制備LaTaON₂的前驅(qū)體LaTaO₄；

(3)將步驟(2)得到的前驅(qū)體LaTaO₄與0.1～2倍質(zhì)量的堿金屬鹽或堿土金屬鹽混合均勻并充分研磨；

(4)將步驟(3)中混合均勻的原料在氨氣氣氛中800℃～1100℃煅燒5～30小時，得到的粉末用去離子水清洗、離心若干次后，于60℃～80℃烘干；

(5)將步驟(4)得到的粉末按照電泳沉積的方法在導(dǎo)電襯底上組裝成顆粒膜；

(6)向步驟(5)制備的顆粒膜上滴入含有電連接劑的溶液，晾干后將其置于氨氣氣氛中300℃～600℃熱處理10～60分鐘，即得到LaTaON₂光電極。

(7)在步驟(6)得到的LaTaON₂光電極表面上擔(dān)載含鈷氧化物電催化劑，經(jīng)過在不同氣氛下100℃～600℃中熱處理10～60分鐘，可得到更高的太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率。

所述步驟(1)中的鑭鹽包括氯化鑭、硝酸鑭和硫酸鑭；鉭鹽包括五氯化鉭、氟鉭酸鉀和氟鉭酸鈉。

所述步驟(2)中的檸檬酸法為將溶液在50℃～80℃中陳化1～10小時,后于120℃～160℃將溶劑蒸干；得到的膠體在180℃～240℃中保溫5～24小時；于400℃～800℃中除碳5～12小時；最后將得到的粉末充分研磨并在1000℃～1500℃中煅燒1～24小時。

所述步驟(5)中的導(dǎo)電襯底包括金屬、導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電玻璃(FTO)；

所述步驟(5)中的電泳沉積制備顆粒薄膜是將LaTaON₂顆粒懸浮于溶有碘單質(zhì)的丙酮溶液；沉積的陽極和陰極皆為導(dǎo)電襯底；沉積電壓為10～50V，沉積時間為30秒～5分鐘。

所述步驟(6)中的電連接劑包括溶有四氯化鈦、四氯化錫的甲醇、丙酮溶液。

所述步驟(7)中的含鈷氧化物電催化劑的擔(dān)載方法：將薄膜電極置于1～100mM的鈷鹽水溶液，以1μA～1mA恒電流沉積10～1000秒；所述鈷鹽包括氯化鈷、硫酸鈷和硝酸鈷。

所述步驟(7)中的不同氣氛包括空氣、氮?dú)夂桶睔狻?/p>

本發(fā)明的有益效果是：采用本方法制備的鉭酸鑭氧氮化物光電極，能夠使LaTaON₂的光電流大幅度提高，在模擬太陽光下(AM 1.5G，100mW cm^-2)的光電流達(dá)到2.1mA cm^-2(所加偏壓為1.6V)。

附圖說明

圖1為不同條件下制備的LaTaON₂的X射線衍射圖譜；

圖2為不同條件下制備的LaTaON₂的光吸收圖譜；

圖3為LaTaON₂光電極截面以及擔(dān)載電極上的顆粒的電鏡照片；

圖4為擔(dān)載含鈷氧化物的LaTaON₂光電極的光電流數(shù)據(jù)圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體的實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。以下實(shí)例將有助于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)工作人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。同時，這里指出對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，本發(fā)明中最優(yōu)的數(shù)據(jù)只針對本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，合理地若干調(diào)整和改進(jìn)，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

制備鉭酸鑭氧氮化物(LaTaON₂)高效光電極包括如下步驟：

(1)按照三氯化鑭：五氯化鉭：檸檬酸：乙二醇＝1:1:15:60的摩爾比例稱取原料，并溶解于200mL的甲醇中；

(2)將步驟(1)得到的溶液將溶液在80℃中陳化5小時,后于120℃將溶劑蒸干；得到的膠體在180℃中保溫12小時；于600℃中除碳10小時；最后將得到的粉末充分研磨并在1150℃、1250℃、1350℃、1450℃中煅燒10小時，得到樣品前驅(qū)體LaTaO₄，結(jié)果表明1350℃煅燒得到的前驅(qū)體合成的樣品性能最好；

(3)將步驟(2)得到的前驅(qū)體LaTaO₄與1倍質(zhì)量的氯化鉀混合均勻并充分研磨；

(4)將步驟(3)中混合均勻的原料在氨氣氣氛中950℃煅燒10小時，得到的粉末用去離子水清洗、離心5次后，于60℃烘干；

(5)將步驟(4)得到的粉末按照電泳沉積的方法在導(dǎo)電襯底上組裝成顆粒膜。電泳沉積制備顆粒薄膜是通過超聲振蕩將LaTaON₂顆粒(20mg)懸浮于溶有碘單質(zhì)(10mg)的丙酮溶液(25mL)中，沉積的陽極和陰極皆為導(dǎo)電玻璃(FTO)，所采用面積為2cm²，且導(dǎo)電面相對，其中1/2的導(dǎo)電玻璃浸入上述懸濁液中，沉積電壓為10V直流電，沉積時間為2分鐘，取出干燥即得到LaTaON₂顆粒膜；

(6)向步驟(5)制備的顆粒膜上滴入含有10mM四氯化鈦的甲醇溶液，晾干后將其置于氨氣氣氛(300～500mL min^-1)中440℃熱處理30分鐘，即得到LaTaON₂光電極。

(7)在步驟(6)得到的LaTaON₂光電極表面上擔(dān)載含鈷氧化物電催化劑，將薄膜電極置于10mM的硫酸鈷水溶液中，以50μA恒電流沉積100秒，再經(jīng)過在氨氣氣氛下300℃中熱處理30分鐘，可得到更高的太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率。

圖1是用檸檬酸法(1350℃)制備的LaTaO₄前驅(qū)體合成的LaTaON₂樣品的X射線衍射圖譜。從X射線衍射圖譜可以看出：合成的LaTaON₂樣品是純相，沒有雜相出現(xiàn)。

圖2給出了用檸檬酸法(1350℃)制備的LaTaO₄前驅(qū)體合成的LaTaON₂樣品的光吸收圖譜。LaTaON₂樣品的光吸收邊達(dá)到650nm。

圖3給出了用檸檬酸法(1350℃)制備的LaTaO₄前驅(qū)體合成的LaTaON₂樣品光電極的截面電鏡照片，(a)(b)分別為不同放大倍數(shù)的照片，以及擔(dān)載了含鈷氧化物電催化劑(氨氣氣氛下300℃中熱處理30分鐘)的光電極上的LaTaON₂顆粒的透射電鏡照片，可以看出含鈷氧化物在其上均勻島狀分布，促進(jìn)了光生載流子的分離。

圖4給出了用檸檬酸法(1350℃)制備的LaTaO₄前驅(qū)體合成的LaTaON₂樣品光電極經(jīng)過含鈷氧化物電催化劑擔(dān)載后，在模擬太陽光下(AM 1.5G，100mW cm^-2)下的光電流曲線(實(shí)現(xiàn)：光電流，虛線：暗電流)。在模擬太陽光下(AM 1.5G，100mW cm^-2)的光電流達(dá)到2.1mA cm^-2(所加偏壓為1.6V)。