本發(fā)明屬于納米復合膜制備技術領域，具體涉及一種孤島狀原位碳包覆氧化鐵光陽極復合膜的制備方法。

背景技術：

隨著全球氣候變暖、能源短缺以及環(huán)境污染問題的出現(xiàn)，光電化學電池作為一種高效利用清潔太陽能的方式而備受關注，光陽極作為光電化學電池三大組成之一，也成為了研究的熱點。α-Fe₂O₃半導體材料由于其帶隙窄(2.2eV)、光電化學穩(wěn)定性好、價廉無污染等優(yōu)點成為光電化學電池最具潛力的一種光陽極材料。但由于其光生載流子的壽命短、少子迀移率低、電導率差和出氧動力不足等因素使得其開啟電勢高，光電化學性能與理論值相差較大。

低維碳納米材料具有優(yōu)異的導電性和可調(diào)節(jié)的帶隙結(jié)構，因而在光電化學電池領域具有很好的應用前景。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種孤島狀原位碳包覆氧化鐵光陽極復合膜的制備方法，該碳包覆氧化鐵光電化學電池光陽極材料具有優(yōu)異光電化學性能，而且該制備工藝設備價格低廉，制備過程方法簡單。

本發(fā)明通過以下方法步驟實現(xiàn)：

將無機鐵鹽溶于碳量子點溶液中，攪拌均勻后將導電玻璃放入溶液，在導電玻璃上水熱合成原位碳包覆FeOOH的復合膜，再經(jīng)過熱處理后獲得孤島狀原位碳包覆氧化鐵的復合膜，

其中，無機鐵鹽是硫酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵中的一種或幾種的組合，無機鐵鹽溶于碳量子點溶液的濃度為0.05-0.5mol·L^-1，

碳量子點溶液的制備方法為：檸檬酸、檸檬酸銨中的一種或兩種的組合和乙二胺、二亞乙基三胺、三亞乙基四胺、三乙醇胺中的一種或幾種的組合混合均勻后，采用水熱法在150-250℃合成5-10h，隨爐冷卻至室溫(25℃，下同)；

合成原位碳包覆FeOOH的復合膜所采用的水熱反應為，95～125℃下反應4-6h；

熱處理操作為：將附著有復合膜的導電玻璃放置于管式爐中，在流量為30-100mL·min^-1的氬氣氣氛下，以1-5℃·min^-1的速率升溫至450-550℃，保溫1-2h，最后隨爐冷卻至室溫(25℃)，

燒結(jié)后，原位碳包覆氧化鐵的復合膜在導電玻璃上形成了孤島狀的結(jié)構，每一個“孤島”由直徑40-50nm、厚度700-800nm、表面(部分)包覆有碳的納米棒狀氧化鐵聚集而成，即一定程度上形成了異質(zhì)結(jié)復合膜；島之間的距離為400-500nm，多個孤島組成了宏觀上的薄膜。

本發(fā)明的有益效果為：將該復合膜應用于光電化學電池光陽極，孤島結(jié)構增大了膜與電解質(zhì)的接觸面積，提高了光電流；包覆碳可形成異質(zhì)結(jié)，同樣可以提高光電流。與純的氧化鐵膜相比具有更加優(yōu)異的光電化學性能，其開啟電勢向陰極偏移200mV，光電流增加8倍(1.23V vs.RHE.)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中，水熱合成后的碳包覆FeOOH的復合膜的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外線光譜(FTIR)圖。

圖2為本發(fā)明實施例1中，燒結(jié)后的孤島狀原位碳包覆氧化鐵的復合膜掃描電鏡(SEM)圖，其中圖a為膜的表平面，圖b為膜的橫截斷面。

圖3為本發(fā)明實施例1和實施例2中，燒結(jié)后孤島狀原位碳包覆氧化鐵的復合膜的光電化學響應圖。

圖4為本發(fā)明對比實施例1中，燒結(jié)后的原位碳包覆氧化鐵的復合膜的掃描電鏡(SEM)圖。

具體實施方式

實施例1

將2.92g檸檬酸銨、3ml乙二胺和15ml去離子水混合攪拌4h后放入反應釜中200℃水熱合成5h，冷卻至室溫得到碳量子點溶液；

將0.6082g的FeCl₃·6H₂O加入上述碳量子點溶液中，攪拌30min后移入反應釜，將3片F(xiàn)TO導電玻璃垂直放入反應釜溶液中，在100℃水熱合成5h后隨爐冷卻，在導電玻璃上得到原位碳包覆FeOOH的復合膜；

將附著有上述復合膜的導電玻璃放置于管式爐中，在流量為50mL·min^-1的氬氣氣氛下，以2℃·min^-1的速率升溫至500℃，保溫2h，最后隨爐冷卻至室溫，獲得孤島狀原位碳包覆氧化鐵的復合膜。

以上述獲得的孤島狀原位碳包覆氧化鐵的復合膜作為工作電極，以Ag/AgCl作為參比電極，鉑片作為對電極，1M的氫氧化鈉溶液為電解質(zhì)，利用天津蘭力科光電化學工作站進行光電化學性能測試(暗電流測試時不加光，光電流測試時光強固定為1000W/m²)。

實施例2

將1.46g檸檬酸銨、1.5ml乙二胺和15ml去離子水混合攪拌4h后放入反應釜中200℃水熱合成5h，冷卻至室溫得到碳量子點溶液；

將0.6082g的FeCl₃·6H₂O加入上述碳量子點溶液中，攪拌30min后移入反應釜，將3片F(xiàn)TO導電玻璃垂直放入反應釜溶液中，在100℃水熱合成5h后隨爐冷卻，在導電玻璃上得到原位碳包覆FeOOH的復合膜；

將附著有上述復合膜的導電玻璃放置于管式爐中，在流量為50mL·min^-1的氬氣氣氛下，以2℃·min^-1的速率升溫至500℃，保溫2h，最后隨爐冷卻至室溫，獲得孤島狀原位碳包覆氧化鐵的復合膜。

以上述獲得的孤島狀原位碳包覆氧化鐵的復合膜作為工作電極組裝成電池并進行光電化學性能檢測，具體操作均同實施例1。

對比實施例1

采用碳含量相等的葡萄糖代替實施例1中的碳量子點，其余操作不變：

將0.6082g的FeCl₃·6H₂O溶入15ml含有葡萄糖的去離子水中，攪拌30min后移入反應釜，將3片F(xiàn)TO導電玻璃垂直放入反應釜溶液中，在100℃水熱合成5h后隨爐冷卻，在導電玻璃上得到原位碳包覆FeOOH的復合膜；

將附著有上述復合膜的導電玻璃放置于管式爐中，在流量為50mL·min^-1的氬氣氣氛下，以2℃·min^-1的速率升溫至500℃，保溫2h，最后隨爐冷卻至室溫，獲得原位碳包覆氧化鐵的復合膜。

經(jīng)檢測，本實施例中燒結(jié)后的原位碳包覆氧化鐵的復合膜的掃描電鏡(SEM)圖未顯示出孤島狀結(jié)構，如附圖4。