本發(fā)明屬于材料科學(xué)和光電催化，具體涉及一種硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫能作為一種能源載體，具有來源廣泛、熱值高(143kj/g)、燃燒產(chǎn)物無污染(h2o)、易儲存等優(yōu)勢，成為替代化石能源最有希望的能源之一。氫能的眾多優(yōu)勢決定了其在能源發(fā)展中的重要戰(zhàn)略位置，氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已經(jīng)成為新能源時代的發(fā)展主流?，F(xiàn)有制氫方式包括化石能源制氫、工業(yè)副氫、電解水制氫以及光電催化水分解制氫。在國際低碳化能源政策趨勢下，光電催化水分解制氫逐漸發(fā)展起來，光電催化水分解制氫是通過光電催化水分解的方式將太陽能轉(zhuǎn)化為易于儲存應(yīng)用的氫能形式，在這一過程中，氫氣作為能源載體，水分解作為制備途徑實現(xiàn)了太陽能的轉(zhuǎn)化和利用。

2、在光電催化水分解過程中，光電化學(xué)池由至少一個負(fù)責(zé)吸收太陽光的陽極和用做析氫催化劑的陰極組成，半導(dǎo)體光陽極材料作為光電化學(xué)池中的核心組件，對整個器件的太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率起著決定性作用。理想光陽極電催化劑帶隙應(yīng)該橫跨水分解的氧化電勢和還原電勢，即光催化劑的價帶邊緣高于氧化電勢(o2/h2o)，導(dǎo)帶邊緣低于還原電勢(h+/h2o)，同時價帶和導(dǎo)帶的位置不能向兩側(cè)偏離的太多，因為帶隙過大會降低對太陽光的利用率。

3、為了實現(xiàn)自發(fā)的太陽能驅(qū)動的水分解，選擇合適的半導(dǎo)體材料對于光電催化水分解研究是至關(guān)重要的。金屬氧化物由于具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、低成本、合適的帶邊位置和寬帶隙分布等優(yōu)點而受到廣泛研究。其中，赤鐵礦(α-fe2o3)半導(dǎo)體材料具有合適的帶隙(～2.1ev)，較高的理論光電轉(zhuǎn)化效率，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性而且廉價易得，是非常有發(fā)展?jié)摿Φ墓怆姴牧稀Ｈ欢?，?fe2o3材料作為光陽極也存在許多缺點，限制了其在光電催化分解水中的進(jìn)一步應(yīng)用。比如，單相α-fe2o3并不是電的優(yōu)良導(dǎo)體，導(dǎo)電性差，同時過短的空孔擴(kuò)散長度(2～4nm)和激發(fā)態(tài)壽命(<10ps)，阻礙了光生電子和空穴的快速轉(zhuǎn)移，極易造成載流子復(fù)合；其次是緩慢的表面氧化動力學(xué)導(dǎo)致了較高的析氧過電勢，在低偏壓下具有低光電流密度，致使整個水分解過程的效率變低。

4、為了解決這些缺點，一般采用體相元素?fù)诫s、負(fù)載助催化劑以及表面鈍化等改性和修飾策略，例如α-fe2o3材料形貌結(jié)構(gòu)納米化，通過增加有效比表面積，提升光電催化性能。因此，尋求更優(yōu)化的改性策略或采用多級修飾手段是目前提升α-fe2o3材料光電催化性能的研發(fā)趨勢。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的實施例提出一種硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極及其制備方法和應(yīng)用。

2、本發(fā)明實施例第一方面提供了一種硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、利用水熱法在fto導(dǎo)電玻璃上生長β-feooh薄膜；

4、s2、將β-feooh薄膜在惰性氣氛中進(jìn)行高溫退火處理，得到α-fe2o3薄膜；

5、s3、將α-fe2o3薄膜放入硼酸溶液中進(jìn)行浸漬，然后將浸漬后的α-fe2o3薄膜在惰性氣氛中進(jìn)行低溫退火處理，在所述α-fe2o3薄膜表面形成硼酸鹽薄膜，得到硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極。

6、本發(fā)明實施例第一方面的制備方法帶來的優(yōu)點和技術(shù)效果為：

7、(1)本發(fā)明實施例第一方面的制備方法在步驟s3中利用離子摻雜、表面負(fù)載硼酸鹽的策略解決了α-fe2o3光陽極導(dǎo)電性差、電荷傳輸效率低以及析氧反應(yīng)過電勢高等問題，提升了α-fe2o3光陽極的光電化學(xué)性能，使硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極滿足了在光電化學(xué)池中的應(yīng)用需求。

8、(2)硼酸鹽作為析氧電催化劑，有效降低了α-fe2o3光陽極的析氧反應(yīng)過電勢，提高了α-fe2o3光陽極表面的析氧反應(yīng)動力學(xué)；此外，硼酸鹽還可以起到助催化的作用，增加了α-fe2o3光陽極的活性位點，抑制電子-空穴的表面復(fù)合，提高了光陽極表面水氧化動力學(xué)，從而提升了光電流密度和單色光轉(zhuǎn)化效率等。

9、(3)本發(fā)明實施例第一方面的制備方法采用硼酸作為負(fù)載硼酸鹽的前驅(qū)體，利用浸漬-退火的方法來改性α-fe2o3光陽極，在α-fe2o3薄膜上原位生長的硼酸鹽薄膜與α-fe2o3薄膜結(jié)合緊密，可以有效促進(jìn)α-fe2o3光陽極的光電性能的提升。

10、在一些實施例中，所述β-feooh薄膜和所述α-fe2o3薄膜的形貌為納米棒陣列。

11、在一些實施例中，步驟s3中，所述硼酸溶液所采用的溶劑為無水乙醇。

12、在一些實施例中，步驟s3中，所述硼酸溶液的濃度為1.5～2.5mol/l。

13、在一些實施例中，步驟s3中，在常溫下浸漬3～15min。

14、在一些實施例中，步驟s3中，所述低溫退火處理的保溫溫度為150～350℃，保溫時間為1～3h。

15、在一些實施例中，步驟s3中，所述低溫退火處理之后，再將低溫退火處理后產(chǎn)物進(jìn)行洗滌和干燥，得到所述硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極。

16、在一些實施例中，步驟s3中，所述硼酸鹽薄膜的厚度為3～5nm。

17、本發(fā)明實施例第二方面提供了一種硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極，由本發(fā)明實施例第一方面的制備方法獲得。

18、本發(fā)明實施例第二方面的硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極帶來的優(yōu)點和技術(shù)效果為：

19、由于采用了本發(fā)明實施例第一方面的制備方法，因此，本發(fā)明實施例第二方面的硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極具有較高的導(dǎo)電性和電荷傳輸效率以及較低的析氧反應(yīng)過電勢，光電化學(xué)性能優(yōu)異，滿足在光電化學(xué)池中的應(yīng)用需求。

20、本發(fā)明實施例第三方面提供了根據(jù)本發(fā)明實施例第二方面的硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極在光電催化水分解、光電催化降解、光電化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境凈化方面的應(yīng)用。

21、本發(fā)明實施例第三方面的應(yīng)用帶來的優(yōu)點和技術(shù)效果為：

22、由于采用了本發(fā)明實施例第二方面的硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極，因此可以滿足在光電催化水分解、光電催化降解、光電化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境凈化等方面的應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述β-feooh薄膜和所述α-fe2o3薄膜的形貌為納米棒陣列。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s3中，所述硼酸溶液所采用的溶劑為無水乙醇。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s3中，所述硼酸溶液的濃度為1.5～2.5mol/l。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s3中，在常溫下浸漬3～15min。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s3中，所述低溫退火處理的保溫溫度為150～350℃，保溫時間為1～3h。

7.據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s3中，所述低溫退火處理之后，再將低溫退火處理后產(chǎn)物進(jìn)行洗滌和干燥，得到所述硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極。

8.據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟s3中，所述硼酸鹽薄膜的厚度為3～5nm。

9.一種硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極，其特征在于，由權(quán)利要求1～8中任一項所述的制備方法獲得。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的硼酸鹽負(fù)載α-fe2o3光陽極在光電催化水分解、光電催化降解、光電化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境凈化方面的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種硼酸鹽負(fù)載α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;光陽極及其制備方法和應(yīng)用，屬于材料科學(xué)和光電催化技術(shù)領(lǐng)域。所述制備方法包括以下步驟：S1、利用水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃上生長β?FeOOH薄膜；S2、將β?FeOOH薄膜在惰性氣氛中進(jìn)行高溫退火處理，得到α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;薄膜；S3、將α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;薄膜放入硼酸溶液中進(jìn)行浸漬，然后將浸漬后的α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;薄膜在惰性氣氛中進(jìn)行低溫退火處理，在所述α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;薄膜表面形成硼酸鹽薄膜，得到硼酸鹽負(fù)載α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;光陽極。所述制備方法在步驟S3中利用離子摻雜、表面負(fù)載硼酸鹽的策略解決了α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;導(dǎo)電性差、電荷傳輸效率低以及析氧反應(yīng)過電勢高等問題，提升了α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;的光電化學(xué)性能，使硼酸鹽負(fù)載α?Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;光陽極滿足了在光電化學(xué)池中的應(yīng)用需求。

技術(shù)研發(fā)人員：趙勇,黃澎,趙鵬,趙淵,胡迪,王光耀,孟德昌,王熺乾,秦麗英,石智杰,黃文文,賈媛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6