一種具有光催化性能的鎢酸鉍納米薄膜及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于光電化學池的半導體電極領域，具體為一種鎢酸鉍納米薄膜及其 制備方法和用途。
【背景技術】
[0002] 化石燃料的過度使用造成全球氣溫持續(xù)上升（Messinger, J.，Catalysts for Solar Water Splitting. Chem Sus Chem 2009, 2 (I) ,47-48)，尋找新的清潔能源變得迫在 眉睫。在現(xiàn)有的新興能源中，太陽能作為一種取之不盡的無污染的能源而備受關注。自從 1972年Fujishima和Honda報道了紫外燈照射下TiO 2分解水制氫氣以來，科學界對光電催 化方法產(chǎn)生了極大興趣。光電催化分解水制氫技術，基于太陽能和水這兩種可再生物質(zhì)，沒 有副產(chǎn)物，不會污染環(huán)境，同時光電催化技術兼顧小規(guī)模應用與大規(guī)模開發(fā)。所以，光電催 化分解水制氫技術是太陽能制氫最具前景的研宄方向。
[0003] 與傳統(tǒng)的二氧化鈦等半導體材料相比，鎢酸鉍（Bi2WO6)是一種間接帶隙躍迀 的半導體材料，具有較窄的禁帶寬度（2. 75-2. 9eV)，吸收光的波長可延伸到可見光區(qū)域 (450nm)，具有良好的化學穩(wěn)定性。相對于三氧化鎢（WO3)來說，其價帶位置更加靠近氫 的還原電勢，使水分解反應可在更低的偏壓下進行（J.C.Hill and K.S. Choi, Synthesis and characterization of high surface area CuW04and Bi2W06electrodes for use as photoanodes for solar water oxidation, Journal of Materials Chemistry A，2013, 1，5006-5014)。目前常用的Bi2WCV薄膜電極材料制備方法有兩種：溶膠-凝 膠(L. Zhang, C. Baumanisj L. Robbenj T. Kandiel and D. Bahnemannj Bi2WO6Inverse opals:facile fabrication and efficient visible-light-driven photocatalytic and photoelectrochemical water-splitting activity，Small，2011，7, 2714-2720 ;L Zhang and D. Bahnemannj Synthesis of nanovoid Bi2W062D ordered arrays as photoanodes for photoelectrochemical water splitting，Chem Sus Chem，2013,6,283-290)和離 子交換(C. Ngj A. Iwasej Y. H. Ng and R. Amalj Transforming Anodized WO3Films into Visible-Light-Active BI2WO6Photoelectrodes by Hydrothermal Treatment,The Journal of Physical Chemistry Letters，2012, 3, 913-918) D 基于溶膠-凝膠方法發(fā)展 起來的Bi2WCV薄膜方法，可使用模版較少，所制備的薄膜形貌單一。離子交換法由于設備要 求低，操作簡單，同時反應條件溫和友好，已經(jīng)廣泛用于制備Bi 2WCV薄膜電極材料。但是以 WO3為前驅體的離子交換方法，離子交換溫度較高，交換時間較長，同時Bi 2W(V薄膜與基底 鎢板間相隔一層WO3，不利于電子的傳導。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種用于產(chǎn)品性能優(yōu)越、工藝簡 單、適合于大規(guī)模生產(chǎn)的鎢酸鉍（Bi 2WO6)納米薄膜及其制備方法和用途。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明一個目的在于公開了一種具有光催化性能的Bi2WOf^米薄膜，包括生長在 襯底上由扮 2106納米結構構成的Bi2WO6納米薄膜層，所述襯底為氟摻雜錫氧化物（FTO)的 導電玻璃，所述Bi 2WO6納米結構呈Bi 2W06納米片（狀），所述Bi 2W06納米片垂直生長于襯 底FTO導電玻璃上，所述Bi2W0 6m米片的厚度為15-60nm，所述Bi 2W06納米薄膜層的厚度為 1500_3000nm。
[0007] 本發(fā)明的另一個目的在于公開了一種具有光催化性能的Bi2W06m米薄膜的制備 方法，包括如下步驟：
[0008] (1)將碘化鉀粉末和硝酸鉍粉末加入到去離子水中，用濃硝酸調(diào)節(jié)PH，配制得到 濃度為〇. 02-0. 06m〇L/L，pH = 1. 5-1. 9的碘氧鉍納米片前驅體溶液；
[0009] (2)采用標準三電極裝置進行陰極電沉積步驟。將FTO導電玻璃作為工作電極，鉑 片電極作為對電極，銀/氯化銀電極作為參比電極。在-〇. 2至-0. 05V (相對于銀/氯化銀 電極）電壓下沉積l_30min，得到FTO上的碘氧鉍納米片薄膜；
[0010] (3)將鎢酸鈉粉末加入到去離子水中，配制得到濃度為0. 05-0. 2moL/L的鎢酸鈉 水溶液。將鎢酸鈉水溶液與步驟（2)得到的帶有碘氧鉍納米片薄膜的FTO導電玻璃同時放 入晶化釜中，在100-140°C水熱溫度下進行離子交換反應2-12h。最后在500-600°C下的空 氣氣氛中進行焙燒l_3h，得到鎢酸鉍納米薄膜。
[0011] 步驟（1)中所述濃硝酸的體積份數(shù)為65-68%，硝酸的水溶液。
[0012] 步驟⑵中所述的FTO導電玻璃在進行陰極電沉積過程前，需分別在丙酮、乙醇、 去離子水中超聲清洗l〇min。
[0013] 步驟（2)中所述碘氧祕納米片，其厚度為30-70nm，所述納米薄膜層的厚度為 2000-3000nm〇
[0014] 本發(fā)明的再一個目的在于公開了一種Bi2WO6納米薄膜在光電化學電解水制氫 中的應用，例如利用光電化學池光解水制氫中的應用，試驗表明，具有一維納米片形貌的 Bi2WV薄膜電極的光電流密度為5-40 μ A/cm2，具有可見光光解水制氫活性。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：
[0016] 本發(fā)明的Bi2W06m米薄膜具有大比表面積的一維納米片的納米形貌，為光生電子 和空穴提供直接順暢的傳輸路徑，可以有效地促進電子傳遞到材料的界面中（固固或者液 固）。相比于其他半導體材料，如三氧化鎢，可以使水的氧化還原反應發(fā)生在相對低的電流 強度和低的過電勢中。
[0017] 本發(fā)明的Bi2WO6納米薄膜的制備方法操作過程簡單，反應條件更溫和，反應時間 更短，無需大型儀器設備，經(jīng)濟可行。同時其制備過程可控性強，光電催化性能優(yōu)越，具有一 定的工業(yè)價值。
[0018] 本發(fā)明的Bi2W06m米薄膜能夠作為一種高效的光電陽極材料，可用于光電化學池 光解水制氫，能高效的將太陽能轉化為清潔能源，有效緩解當今化石燃料短缺、環(huán)境污染嚴 重的問題。
【附圖說明】
[0019] 圖1是實施例1中Bi2WO6納米薄膜的X衍射圖譜，其中三角形峰對應FT0。
[0020] 圖2是實施例1中Bi2WO6納米薄膜的掃描電子顯微鏡圖（標尺為5um)。
[0021] 圖3是實施例1中Bi2WO6納米薄膜的掃描電子顯微鏡圖（標尺為Ium)。
[0022] 圖4是模擬太陽光照射下，實施例1、6、7中制備的Bi2WOf^米薄膜的光電流-電 位曲線圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限 定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。
[0024] 實施例1-9為本發(fā)明所述的不同規(guī)格的Bi2WO6納米薄膜的制備方法 [00 25] 實施例1 :
[0026] (1)碘氧鉍納米片前驅體溶液的配制
[0027] a)將FTO導電玻璃先后依次在去離子水、丙酮和乙醇溶液中超聲lOmin，經(jīng)去離子 水洗凈，吹干備用；
[0028] b)將3. 32g碘化鉀粉末和0. 9702g硝酸鉍粉末加入到60mL去離子水中，并用體積 份數(shù)為65-68%的商用濃硝酸調(diào)節(jié)pH至1. 7,最終制得pH = 1. 7的濃度為0. 04m〇L/L的碘 氧鉍納米片前驅體溶液。
[0029] (2)碘氧鉍納米片薄膜的制備
[0030] 采用標準三電極裝置進行陰極電沉積步驟。將FTO導電玻璃作為工作電極，鉑片 電極作為對電極，銀/氯化銀電極作為參比電極。將碘氧鉍納米片前驅體溶液作為陰極電 沉積過程的電沉積溶液。在-0.1 V(相對于銀/氯化銀電極）電壓下沉積lOmin。得到FTO 上的碘氧鉍納米片薄膜。
[0031] (3) Bi2WO6納米薄膜的制備
[0032] a)將I. 316g鎢酸鈉粉末加入到40mL去離子水中，配制得40mL濃度為0.1 moL/L 的鎢酸鈉離子交換溶液。將碘氧鉍納米片薄膜，碘氧鉍薄膜面朝上，斜放置于晶化釜中，加 入離子交換溶液，在120°C條件下進行4h的離子交換過程，制備Bi 2W06m米薄膜，用去離子 水洗絳，室溫下干燥。
[0033] b)將制備的扮2106納米薄膜進行焙燒處理，馬弗爐焙燒條件為：升溫速度2°C / min，升溫至550°C，保持2h，自然降溫，得到Bi2WO6納米薄膜。
[0034] 如圖1所示，Bi2WO6納米薄膜呈現(xiàn)2個主要衍射峰，分別是（131)和（002)晶面。
[0035] 實施例2 :
[0036] (1)碘氧鉍納米片前驅體溶液的配制
[0037] a)將FTO導電玻璃先后依次在去離子水、丙酮和乙醇溶液中超聲lOmin，經(jīng)去離子 水洗凈，吹干備用；
[0038] b)將I. 66g碘化鉀粉末和0. 4851g硝酸鉍粉末加入到60mL去離子水中，并用體積 份數(shù)為65-68%的商用濃硝酸調(diào)節(jié)pH至1. 7,最終制得pH = 1. 7的濃度為0. 02m〇L/L的碘 氧鉍納米片前驅體溶液。
[0039] (2)碘氧鉍納米片薄膜的制備同實施例1。
[0040] (3) Bi2WO6納米薄膜的制備同實施例1。
[0041] 實施例3
[0042] (1)碘氧鉍納米片前驅體溶液的配制
[0043] a)將FTO導電玻璃先后依次在去離子水、丙酮和乙醇溶液中超聲lOmin，經(jīng)去離子 水洗凈，吹干備用；
[0044] b)將4. 98g碘化鉀粉末和I. 4553g硝酸鉍粉末加入到60mL去離子水中，并用體積 份數(shù)為65-68%的商用濃硝酸調(diào)節(jié)pH至1. 7,最終制得pH = 1. 7的濃度為0.