一種介孔單晶氧化鐵的制備方法及其光電化學(xué)分解水裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種具有高比表面的介孔單晶的氧化鐵材料，其為大小約為800納米 的單晶顆粒，表面粗糖呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)。運(yùn)種介孔結(jié)構(gòu)的單晶顆粒在環(huán)境科學(xué)W及太陽(yáng)能轉(zhuǎn) 換領(lǐng)域有著非常重要的用途，特別地，如光電化學(xué)分解水裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源短缺和環(huán)境問(wèn)題是困擾人類目前發(fā)展W及生存的兩大重要問(wèn)題，一方面我們 要減少礦物資源的消耗，盡可能的使用可再生的清潔能源；另一方面我們必須減少污染物 的排放，消除環(huán)境污染。太陽(yáng)能是清潔能源，如何將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為我們方便使用的能源W及 利用太陽(yáng)能來(lái)消除環(huán)境的污染成為研究的熱點(diǎn)。半導(dǎo)體功能材料在吸收和利用太陽(yáng)光方面 有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如氧化鐵可W用于制備光電化學(xué)電解池，利用太陽(yáng)光分解水產(chǎn)生清潔 的氨氣。
[0003] 氧化鐵由于其合適的禁帶寬度，是光電化學(xué)分解水中非常有前景的光陽(yáng)極材料， 但是目前存在效率低下的問(wèn)題，運(yùn)是由于比如氧化鐵傳輸電荷能力較差，同時(shí)光生載流子 極易復(fù)合（壽命約為IOps)，導(dǎo)致其空穴傳輸距離只有2-4納米。然而作為間接半導(dǎo)體，氧 化鐵對(duì)于帶隙邊緣波段的光吸收較差巧50納米時(shí)a1=0. 12微米），運(yùn)就使大部分的光生 電荷產(chǎn)生在距離半導(dǎo)體/溶液界面約為100納米的地方。為了克服運(yùn)一點(diǎn)，納米結(jié)構(gòu)的氧化 鐵電極被制備用于光陽(yáng)極，來(lái)提高其光電轉(zhuǎn)換效率。G城恆封等通過(guò)原子壓化學(xué)氣相沉積法 制備挪菜花狀的氧化鐵電極，并負(fù)載Ir〇2產(chǎn)氧催化劑，可W使光電流在1. 23VVS.R肥時(shí)達(dá) 到3. 4mA/cm2,是目前報(bào)道性能最高的氧化鐵光陽(yáng)極（Angew.化em.Int.Ed. 2010, 49 (36)，第 6405-6408頁(yè)）。LiYat教授通過(guò)高溫活化納米氧化鐵電極，成功的將FTO上的Sn滲雜進(jìn) 入氧化鐵，從而極大地提高了光電流（NanoLett. 2011,11(5)，第2119-2125頁(yè)）。鄒志剛 教授通過(guò)鹽酸腐蝕氧化鐵納米線電極表面，抑制逆反應(yīng)的發(fā)生從而提升其光電流巧nergy Environ.Sci. 2014, 7,第752-759頁(yè)）。但是運(yùn)些電極仍然與氧化鐵的理論值相差甚遠(yuǎn)，主 要是因?yàn)?，運(yùn)些納米結(jié)構(gòu)的電極都是多晶，較多的晶界將成為電子空穴的復(fù)合中屯、，影響光 生電荷的分離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種介孔單晶氧化鐵的制備方法及其光電化學(xué)分解 水裝置，采用水溶膠（氧化硅膠體）作為硬模板劑，通過(guò)水熱反應(yīng)制備介孔單晶的氧化鐵顆 粒。利用該氧化鐵顆粒制備的電極具有較少的晶界能減少電子空穴的復(fù)合，并且介孔的納 米結(jié)構(gòu)有助于光生電荷的分離。該電極在1. 23VVS.R肥時(shí)獲得了 0. 6mA/cm2,該性能相較 于實(shí)屯、的單晶提高了 20倍。具體技術(shù)方案如下： 陽(yáng)0化]一種介孔單晶氧化鐵的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] 在聚四氣乙締內(nèi)襯的水熱蓋中加入水溶膠W及含40毫升水的=氯化鐵與氣化鋼 的混合溶液，180~240°C下反應(yīng)24~48小時(shí)后取出；水熱獲得的產(chǎn)物在蝕刻液中蝕刻 12~24小時(shí)后，用去離子水洗凈后在50~80°C下烘干，得到介孔單晶的氧化鐵顆粒
[0007] 所述水溶膠是服-40,氧化硅膠體，為0~0. 4毫升；
[0008] 所述S氯化鐵為0~100毫摩爾；
[0009] 所述氣化鋼為0~100毫摩爾；
[0010] 所述水溶膠、=氯化鐵、氣化鋼的含量均不為0。
[0011] 所述蝕刻液為1~3摩爾/升的氨氧化鋼溶液或1~3摩爾/升的氣化氨錠溶液。
[0012] 所述水溶膠的含量為0. 4毫升。
[0013] 所述=氯化鐵的含量為45毫摩爾。
[0014] 所述氣化鋼為30毫摩爾。
[0015] 所述介孔單晶的氧化鐵顆粒為a -Fez化，其尺寸約為800納米，表面與晶體內(nèi)部均 勻分布著約為20納米的孔桐。
[0016] 一種光電化學(xué)分解水裝置，包括光陽(yáng)極，所述光陽(yáng)極包括導(dǎo)電玻璃W及沉積在所 述導(dǎo)電玻璃上的沉積層；所述沉積層是由上述任一制備方法所得到的介孔單晶氧化鐵顆 粒。
[0017] 所述沉積層的厚度為1~5微米，優(yōu)選為3微米。
[0018] 上述光電化學(xué)分解水裝置中電極的制備方法如下：
[0019] (1)制備氧化鐵光陽(yáng)極：30毫克介孔單晶氧化鐵分散在30毫升丙酬中，加入30毫 克的艦單質(zhì)增加溶液導(dǎo)電性。W鐵片為陽(yáng)極，導(dǎo)電玻璃為陰極進(jìn)行電泳沉積，施加電壓為 10V，電泳時(shí)間為5-15分鐘。獲得氧化鐵電極在500°C下空氣中燒結(jié)2小時(shí)后在表面滴加 100微升的=氯化鐵溶液（10毫摩爾），再次于500°C下般燒2小時(shí)。最后在800°C下活化 10分鐘立刻取出；
[0020] (2) 1摩爾/升的氨氧化鋼水溶液為電解質(zhì)溶液，通過(guò)CHI660電化學(xué)工作站，標(biāo)準(zhǔn) =電極體系，W上述制備得到的電極為工作電極，W銀一氯化銀電極為參比電極、Pt電極為 對(duì)電極，測(cè)試溫度為20-25°C。人工模擬太陽(yáng)光（AM1.5)從背面照射電極。該電極在1.23V VS.R肥時(shí)獲得了 0. 6mA/cm2,該性能相較于非多孔的單晶提高了 20倍。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下：本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，原料易得，制備 成本較低，反應(yīng)周期短，可重復(fù)性高。合成的氧化鐵單晶顆粒大小約為800納米，表面均勻 分布多孔結(jié)構(gòu)。運(yùn)種介孔結(jié)構(gòu)的單晶顆粒在環(huán)境科學(xué)W及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有著非常重要的 用途，具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是實(shí)施例1所制備的氧化鐵的電子照片；
[0023] 圖2是實(shí)施例1和實(shí)施例2所制備的氧化鐵為工作電極的光電化學(xué)掃描曲線；
[0024]圖3是實(shí)施例1和實(shí)施例2所制備的氧化鐵的X射線衍射圖譜；
[0025] 圖4是實(shí)施例1所制備的氧化鐵的透射電鏡圖片；
[0026]圖5是實(shí)施例1所制備的氧化鐵的選區(qū)電子衍射圖；
[0027] 圖6是實(shí)施例1所制備的氧化鐵的掃描電鏡圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面，結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但不應(yīng) W此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029] 本文所公開的"范圍"W下限和上限的形式?？蒞分別為一個(gè)或多個(gè)下限，和一個(gè) 或多個(gè)上限。給定范圍是通過(guò)選定一個(gè)下限和一個(gè)上限進(jìn)行限定的。選定的下限和上限限 定了特別范圍的邊界。所有可W運(yùn)種方式進(jìn)行限定的范圍是包含和可組合的，即任何下限 可W與任何上限組合形成一個(gè)范圍。例如，針對(duì)特定參數(shù)列出了 60~120和80~110的 范圍，理解為60~110和80~120的范圍也是預(yù)料到的。此外，如果列出的最小范圍值1 和2,和如果列出了最大范圍3,4和5,則下面的范圍可全部預(yù)料到：1~2、1~4、1~5、 2~3、2~4和2~5。
[0030] 本發(fā)明中，除非有其他說(shuō)明，數(shù)值范圍"a-b"表示a到b之間的任意實(shí)數(shù)組合的縮 略表示，其中a和b都是實(shí)數(shù)。例如數(shù)值范圍"0~5"表示本文中已經(jīng)全部列出了"0~5" 之間的全部實(shí)數(shù)，"0~5"只是運(yùn)些數(shù)值組合的縮略表示。
[0031] 在本發(fā)明中，如果沒有特別的說(shuō)明，本文所提到的所有實(shí)施方式W及優(yōu)選實(shí)施方 式可W互相組合形成新的技術(shù)方案。
[0032] 在本發(fā)明中，如果沒有特別的說(shuō)明，本文所提到的所有技術(shù)特征W及優(yōu)選特征可 W互相組合形成新的技術(shù)方案。
[0033] 下面將結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)具體闡述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方法，但是應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng) 域技術(shù)人員可W在不背離權(quán)利要求書限定的范圍的前提下，對(duì)運(yùn)些實(shí)施例進(jìn)行合理的變 化、改良和相互組合，從而獲得新的具體實(shí)施方法，運(yùn)些通過(guò)變化、改良和相互組合獲得的 新的【具體實(shí)施方式】也都包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。 陽(yáng)〇34] 實(shí)施例1
[0035] 步驟一、介孔氧化鐵單晶的制備
[0036] 在聚四