一種α?Fe2O3的光陽極及其制備方法技術

本發明專利技術涉及以α?Fe2O3為光吸收層，Fe3O4，FeO和Fe作為導電基底光陽極及其制備方法。采用直接高溫快速氧化方法，制得同時包含導電基底的有或者無摻雜α?Fe2O3光陽極。作為光活性層的有或者無摻雜的α?Fe2O3與導電基底緊密接觸，具有良好的光電催化活性，在AM1.5標準測試條件下，相對于可逆氫電極1.23V，可達0.63mA/cm

【技術實現步驟摘要】
一種α-Fe2O3的光陽極及其制備方法
本專利技術涉及太陽能利用中光電化學過程的α-Fe2O3光陽極的一種結構及其制備方法。
技術介紹
隨著能源問題及由此而引起的環境問題的日益突出，太陽能作為一種可持續的清潔能源，其轉化利用越來越受到人們重視。而光電化學作為轉化利用太陽能的一種重要手段，其研究也取得了很好的進展。Fujishima和Honda首先報道了單晶TiO2光電極在外加偏壓下實現光電化學分解水（Nature1972,238,37.），自此以后許多半導體材料被開發用作光陽極，如WO3（ChemicalCommunications2012,48,729-731），ZnO（Adv.Funct.Mater.2009,19,1849-1856），BiVO4（Chem.Commun.2003,2908-2909），α-Fe2O3（J.Electrochem.Soc.1979），TaON（Chem.Commun.2009,7137-7139），LaTiO2N（ChemicalCommunications2012,48,820-822），Ta3N5（NanoLett.2010,10,948-952），Sm2Ti2S2O5（JournalofCatalysis2011,280,1-7），n-Si（J.Electrochem.Soc.1986,133,248-253），Zn1-xGaxO1-xNx（Bull.Chem.Soc.Jpn.2009,82,401-407）等。其中α-Fe2O3因其具有較寬的太陽光吸收，能帶位置適宜，環境友好，儲量豐富，性質穩定等優點得到了廣泛的研究，目前制備α-Fe2O3光陽極的主要方法有常壓化學氣相沉積法，噴霧熱分解法，溶液化學法，溶膠噴涂法等，這些方法首先將鐵的前驅體蒸鍍，旋涂，自組裝于導電基底上，而后經過后處理，達到增加其與基底接觸緊密程度，但這些方法制備的α-Fe2O3光陽極主要有以下兩個問題：（1）導帶位置低導致電子還原性不夠而需加較大偏壓，即開啟電位過正；（2）制備方法多耗時，復雜且昂貴。因此，本專利技術提出采用鐵或含鐵合金作為前驅體，直接高溫快速氧化方法制得同時包含導電基底的α-Fe2O3光陽極具有很好的效果。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種高溫快速灼燒鐵或者含鐵合金，制得含導電基底的有或者無摻雜α-Fe2O3光陽極及其制備方法。為實現上述目的，一種α-Fe2O3的光陽極，以片狀的鐵或者含鐵合金為基底，于基底表面從內至外依次制備有FeO層、Fe3O4層、α-Fe2O3表層構成光陽極，或于基底表面從內至外依次制備有摻雜的FeO層、摻雜的Fe3O4層、摻雜的α-Fe2O3表層，構成光陽極。摻雜物質為Si，Ti，Mn，Sn，Cr，Ni，W，V，Mo，P，B，Nb和C中的一種或二種以上，摻雜量為0.001wt%-95wt%。作為光活性層的有或者無摻雜的α-Fe2O3表層與導電基底緊密接觸，具有良好的光響應和導電性；所述導電基底包括從外至內依次疊合的Fe3O4層、FeO層及鐵基底，或者從外至內依次疊合的摻雜的Fe3O4層、摻雜的FeO層及含鐵合金基底。所述光陽極的制備：采用片狀鐵或者含鐵合金作為前驅體，直接高溫快速氧化方法制得包含表層為有或者無摻雜α-Fe2O3光陽極；電極的制備采用高溫灼燒鐵片或者含鐵合金片，溫度控制1000-1500℃，焙燒0.5-10s，室溫下冷卻。所述含鐵合金為含有Si，Ti，Mn，Sn，Cr，Ni，W，V，Mo，P，B，Nb和C一種或多種元素，含量為0.001wt%-95wt%。所述作為前驅體的鐵包括含Fe為主要組分而摻有其他雜質，C（0.001wt%-8%），S（0.001wt%-0.5wt%）和Si（0.001wt%-0.5wt%）。本專利技術采用氫火焰下高溫灼燒鐵片或者含鐵合金，火焰溫度控制1000-1500℃，灼燒0.5-10s，撤離火焰，室溫下冷卻。與公知技術相比，本專利技術具有如下特點：高溫下鐵片快速氧化，快速退火可以得到具有高結晶度的有或者無摻雜α-Fe2O3；未完全氧化的鐵物種Fe3O4，FeO和Fe充當導電基底，其光吸收層結合緊密。同時具有成本低廉，制備時間短和易于大規模擴展的特點。附圖說明圖1(a)為實施例1制得樣品的XRD圖，顯示了α-Fe2O3相、Fe3O4相和FeO相；圖1(b)為該樣品表面掃描電鏡圖。圖2為實施例1制得光電極在1MNaOH電解質溶液中，光照下和暗態的線性伏安掃描光電化學響應，對電極為2cm×2cm鉑片，參比電極為飽和甘汞電極，掃描范圍-0.6V-0.6V，掃描速度20mV/s，光源為太陽能模擬器AM1.5，能量密度100mW/cm2。具體實施方式為了進一步說明本專利技術，列舉以下實施實例。實施例1金屬Fe片（質量純度99.995%）（5mm×10mm×0.5mm1片）置于丙酮中超聲清洗20分鐘，取出后用去離子水沖洗干凈，氮氣槍吹干。調整氫氣和氧氣比例，控制氫火焰在1400℃。將鐵片一頭用鑷子夾住置于氫火焰中，保持1s。快速取出，在室溫下冷卻，得金屬Fe片從內向外依次帶有FeO層、Fe3O4層、α-Fe2O3表層的光陽極，主體呈藍色，表面略顯黃色。結合RAMAN光譜和SEM分析，證明金屬Fe片從內向外依次帶有FeO層、Fe3O4層、α-Fe2O3表層。實施例2金屬Fe片（質量純度99.99%）（5mm×10mm×0.5mm1片）置于丙酮中超聲清洗20分鐘，取出后用去離子水沖洗干凈，氮氣槍吹干。調整氫氣和氧氣比例，控制氫火焰在1400℃。將鐵片一頭用鑷子夾住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室溫下冷卻，得金屬Fe片從內向外依次帶有FeO層、Fe3O4層、α-Fe2O3表層的光陽極，主體呈藍色，表面略顯黃色。實施例3金屬Fe片（質量純度99.5%）（5mm×10mm×0.5mm1片）置于丙酮中超聲清洗20分鐘，取出后用去離子水沖洗干凈，氮氣槍吹干。調整氫氣和氧氣比例，控制氫火焰在1400℃。將鐵片一頭用鑷子夾住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室溫下冷卻，得金屬Fe片從內向外依次帶有FeO層、Fe3O4層、α-Fe2O3表層的光陽極，主體呈藍色，表面略顯黃色。實施例4硅鐵合金片（Si質量含量3%）（5mm×10mm×1mm1片）置于丙酮中超聲清洗20分鐘，取出后用去離子水沖洗干凈，氮氣槍吹干。調整氫氣和氧氣比例，控制氫火焰在1400℃。將鐵片一頭用鑷子夾住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室溫下冷卻，得金屬Fe片從內向外依次帶有Si摻雜的FeO層、Si摻雜的Fe3O4層、Si摻雜的α-Fe2O3表層的光陽極，主體呈藍色，表面略顯黃色。實施例5市售熟鐵片（含0.001wt%<碳量<0.02wt%）（5mm×10mm×1mm1片）置于丙酮中超聲清洗20分鐘，取出后用去離子水沖洗干凈，氮氣槍吹干。調整氫氣和氧氣比例，控制氫火焰在1400℃。將鐵片一頭用鑷子夾住置于火焰中，保持1s。快速取出，在室溫下冷卻，得金屬Fe片從內向外依次帶有摻雜的FeO層、摻雜的Fe3O4層、摻雜的α-Fe2O3表層的光陽極，主體呈藍色，表面略顯黃色。實施例6市售GB0Cr18Ni9不銹鋼片（5mm×10mm×1mm1片）置于丙酮中超聲清洗20本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種α?Fe2O3的光陽極，其特征在于：以片狀的鐵或者含鐵合金為基底，于基底表面從內至外依次制備有FeO層、Fe3O4層、α?Fe2O3表層構成光陽極，或于基底表面從內至外依次制備有摻雜的FeO層、摻雜的Fe3O4層、摻雜的α?Fe2O3表層，構成光陽極。

【技術特征摘要】
1.一種α-Fe2O3的光陽極，其特征在于：以片狀的鐵或者含鐵合金為基底，于基底表面從內至外依次制備有FeO層、Fe3O4層、α-Fe2O3表層構成光陽極，或于基底表面從內至外依次制備有摻雜的FeO層、摻雜的Fe3O4層、摻雜的α-Fe2O3表層，構成光陽極；采用片狀鐵或者含鐵合金作為前驅體，直接高溫快速氧化方法制得包含表層為有或者無摻雜α-Fe2O3光陽極；電極的制備采用高溫灼燒鐵片或者含鐵合金片，溫度控制1000-1500℃，焙燒0.5-10s，室溫下冷卻。2.如權利要求1所述的光陽極，其特征在于：摻雜物質為Si，Ti，Mn，Sn，Cr，Ni，W，V，Mo，P，B，Nb和C中的一種或二種以上，摻雜量為0.001wt％-95wt％。3.如權利要求1所述的光陽極，其特征在于：作為光活性層的有或者無摻雜的α-Fe2O3表層與導電基底緊密接觸，具有良好的光響應和導電性；所述導電基底...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李燦，韓晶峰，王志亮，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21