修饰二氧化钛光电极及其制备方法、应用与流程

本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极及其制备方法、在光电催化分解水中的应用。

背景技术：

能源危机和环境污染是当今社会发展面临的严峻挑战，目前人们使用的燃料以煤、石油、天然气等化石能源为主，不仅储量有限且都是不可再生能源。面对这两大难题，当今世界正在经受前所未有的挑战，积极寻找来源丰富、绿色环保的可再生能源具有深远的战略意义。太阳能不仅资源丰富，而且不受地域限制，因此备受研究者的关注。氢能燃烧的唯一产物是水不会对环境造成污染，同时具有143kJ/kg的能量密度、来源丰富等优点，被广大研究者认为是最有前景的高效、绿色环保的可再生能源。因此，采用半导体光电催化技术利用太阳能直接将水分解产生氢气和氧气，并以氢气这种化学能的形式存储然后利用，是解决以上难题最有希望的方式。在太阳能光电催化分解水体系中，光电极材料是决定太阳能吸收和利用能力的关键因素，因此，选择合适的电极材料并对其加以修饰改性对提高其性能具有十分重要的影响。

二氧化钛的带隙位置合适、稳定性良好，满足理想光电极的条件，是目前研究最多的半导体材料之一。其中TiO₂几乎满足理想光电极的所有条件，但也存在可见光利用率低(只能吸收紫外光)、电子-空穴分离效率低和界面反应速率慢(～s级)等问题。这些缺陷成为其性能进一步提高及应用推广的瓶颈。为此，研究者一方面从提高光生电荷分离效率出发，将其与其他半导体复合，形成Type II型异质结[X.Zhang,B.Zhang,K.Cao,J.Brillet,J.Chen,M.Wang,Y.RHEn,J.Mater.Chem.A,2015,3,21630-21636]或p-n结[X.Zhang,H.Yang,B.Zhang,Y.RHEn,Adv.Mater.Interfaces,2016,3,1500273]，在内建电场作用下促进电子-空穴分离。另一方面通过电沉积或光助电沉积等方法在二氧化钛表面修饰助催化剂，如：电沉积制备CoNi LDH/TiO₂纳米管复合光电极[W.Chen,T.Wang,J.Xue,S.Li,Z.Wang,S.Sun,Small,2017,1602420]，以及借助光照电沉积制备NiFe LDH/RGO/TiO₂纳米棒复合光电极[F.Ning,M.Shao,S.Xu,Y.Fu,R.Zhang,M.Wei,D.Evans,X.Duan,Energy Environ.Sci.,2016,9,2633-2643]。助催化剂不仅可以提供更多的反应活性位点，降低反应所需的活化能，也可以捕获光生空穴然后发生氧化反应，同时具有抑制载流子复合的作用，最终提高其光氢转换效率。但就目前而言，用于修饰TiO₂的助催化剂种类还十分有限，主要包括贵金属氧化物(RuO_x、IrO_x)，钴基化合物(CoNi LDH)，镍/铁基化合物(NiFe LDH)等，这就为研究者寻求新型、高效且廉价的助催化剂提供了挑战。研究表明在碱性环境中，由于Fe反应活性位点的影响，Ni_1-xFe_xOOH在电催化氧析出反应方面展现了比NiOOH和FeOOH更高的催化活性。

技术实现要素：

为了促进二氧化钛光阳极表面的析氧反应，本发明的目的在于提供了一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，通过Ni_1-xFe_xOOH与二氧化钛光电极的结合来促进载流子的分离，还提供了Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极在光电催化分解水中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)向5.5～6.5mol/L盐酸中加入钛源化合物，室温下搅拌8～15分钟，得到混合液；所述钛源化合物为钛酸异丙酯或钛酸正丁酯，盐酸与钛源化合物的体积比为3：0.06～0.07；

(2)将导电玻璃插入步骤(1)所得混合液中，并于140～160℃水热反应6～12小时，冷却至室温；然后将导电玻璃取出，水洗、干燥，再以2～5℃/分钟的速度升温至440～460℃，煅烧2～3小时后，冷却至室温，得到TiO₂光阳极；

(3)以步骤(2)所得的TiO₂光阳极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极构成三电极体系，以含有3～7mmol/L三氯化铁、1～5mmol/L氯化镍、4.5～5.5mmol/L氟化钠、0.08～0.12mol/L氯化钾和0.98～1.02mol/L过氧化氢的水溶液为电解液，采用循环伏安法从-0.5±0.05V到0.5±0.05V的电位区间，以180～220mV/s的扫速循环扫1～10圈，然后取出工作电极，经水洗、干燥，即得。

优选地，步骤(2)中所述导电玻璃为氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃。

优选地，步骤(2)中干燥及步骤(3)中干燥均采用氮气吹干。

采用上述方法制备得到的Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极，将三氯化铁中Fe³⁺的摩尔浓度记为C₁，氯化镍中Ni²⁺的摩尔浓度记为C₂，则x＝C₁/(C₁+C₂)。

上述Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极在光电催化分解水中的应用。

所述FTO导电玻璃为普通市售产品。

本发明将TiO₂成长到FTO导电玻璃材料表面，然后将Ni_1-xFe_xOOH附着在半导体材料(TiO₂)表面，形成助催化层。采用Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光阳极用于光电催化分解水制氢，不仅可以有效抑制TiO₂光电极的载流子复合，而且有利于降低反应活化能，以促进光电极表面析氧反应。

附图说明

图1为实施例2所得TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光阳极、FTO/Ni_0.5Fe_0.5OOH与空白基底FTO的XRD对比图；

图2为实施例2所得TiO₂光阳极及TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光阳极的XPS全谱图；

图3为实施例2所得TiO₂光阳极及TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光阳极在暗态下的线形伏安曲线；

图4为实施例1～3所得TiO₂/Ni_1-xFe_xOOH光电极在光照下的线性扫描伏安曲线；

图5为实施例2所得TiO₂光阳极及TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光阳极在光照和开路电压条件下的电化学阻抗图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

下述实施例中FTO导电玻璃购自武汉晶格太阳能科技有限公司，厚度为2.2mm，电阻为14Ω，透光率为90％。

实施例1

一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)向18mL 6mol/L盐酸中加入0.42mL钛酸异丙酯，室温下搅拌10分钟，得到混合液；

(2)将步骤(1)所得混合液倒入25mL反应釜中，并插入FTO导电玻璃，FTO导电玻璃的上端高于混合液的液面，以使FTO导电玻璃上方留一定空白区，作为电极夹固定区；将反应釜置于烘箱内，于150℃水热反应6小时，自然冷却至室温；然后将导电玻璃取出，用高纯水清洗，并用氮气吹干，得到覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃；再将覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃置于马弗炉中，以5℃/分钟的速度升温至450℃，煅烧2小时后，自然冷却至室温，得到TiO₂光阳极；

(3)以步骤(2)所得的TiO₂光阳极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极构成三电极体系，以含有7mmol/L三氯化铁、1mmol/L氯化镍、5mmol/L氟化钠、0.1mol/L氯化钾和1mol/L过氧化氢的水溶液为电解液，采用循环伏安法从-0.5到0.45V(vs.RHE)的电位区间，以200mV/s的扫速循环扫3圈，然后取出工作电极，经水洗、干燥，即得，记为TiO₂/Ni_0.125Fe_0.875OOH复合光阳极。

实施例2

一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)向18mL 6mol/L盐酸中加入0.42mL钛酸异丙酯，室温下搅拌10分钟，得到混合液；

(2)将步骤(1)所得混合液倒入25mL反应釜中，并插入FTO导电玻璃，FTO导电玻璃的上端高于混合液的液面，以使FTO导电玻璃上方留一定空白区，作为电极夹固定区；将反应釜置于烘箱内，于150℃水热反应6小时，自然冷却至室温；然后将导电玻璃取出，用高纯水清洗，并用氮气吹干，得到覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃；再将覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃置于马弗炉中，以5℃/分钟的速度升温至450℃，煅烧2小时后，自然冷却至室温，得到TiO₂光阳极；

(3)以步骤(2)所得的TiO₂光阳极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极构成三电极体系，以含有4mmol/L三氯化铁、4mmol/L氯化镍、5mmol/L氟化钠、0.1mol/L氯化钾和1mol/L过氧化氢的水溶液为电解液，采用循环伏安法从-0.5到0.45V(vs.RHE)的电位区间，以200mV/s的扫速循环扫3圈，然后取出工作电极，经水洗、干燥，即得，记为TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光阳极。

实施例3

一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)向18mL 6mol/L盐酸中加入0.42mL钛酸异丙酯，室温下搅拌10分钟，得到混合液；

(2)将步骤(1)所得混合液倒入25mL反应釜中，并插入FTO导电玻璃，FTO导电玻璃的上端高于混合液的液面，以使FTO导电玻璃上方留一定空白区，作为电极夹固定区；将反应釜置于烘箱内，于150℃水热反应6小时，自然冷却至室温；然后将导电玻璃取出，用高纯水清洗，并用氮气吹干，得到覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃；再将覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃置于马弗炉中，以5℃/分钟的速度升温至450℃，煅烧2小时后，自然冷却至室温，得到TiO₂光阳极；

(3)以步骤(2)所得的TiO₂光阳极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极构成三电极体系，以含有3mmol/L三氯化铁、5mmol/L氯化镍、5mmol/L氟化钠、0.1mol/L氯化钾和1mol/L过氧化氢的水溶液为电解液，采用循环伏安法从-0.5到0.45V(vs.RHE)的电位区间，以200mV/s的扫速循环扫3圈，然后取出工作电极，经水洗、干燥，即得，记为TiO₂/Ni_0.625Fe_0.375OOH复合光阳极。

实施例4

一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)向18mL 5.5mol/L盐酸中加入0.36mL钛酸异丙酯，室温下搅拌8分钟，得到混合液；

(2)将步骤(1)所得混合液倒入25mL反应釜中，并插入FTO导电玻璃，FTO导电玻璃的上端高于混合液的液面，以使FTO导电玻璃上方留一定空白区，作为电极夹固定区；将反应釜置于烘箱内，于140℃水热反应12小时，自然冷却至室温；然后将导电玻璃取出，用高纯水清洗，并用氮气吹干，得到覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃；再将覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃置于马弗炉中，以4℃/分钟的速度升温至440℃，煅烧3小时后，自然冷却至室温，得到TiO₂光阳极；

(3)以步骤(2)所得的TiO₂光阳极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极构成三电极体系，以含有4mmol/L三氯化铁、4mmol/L氯化镍、4.5mmol/L氟化钠、0.08mol/L氯化钾和0.98mol/L过氧化氢的水溶液为电解液，采用循环伏安法从-0.5到0.45V(vs.RHE)的电位区间，以180mV/s的扫速循环扫1圈，然后取出工作电极，经水洗、干燥，即得。

实施例5

一种Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)向18mL 6.5mol/L盐酸中加入0.4mL钛酸异丙酯，室温下搅拌15分钟，得到混合液；

(2)将步骤(1)所得混合液倒入25mL反应釜中，并插入FTO导电玻璃，FTO导电玻璃的上端高于混合液的液面，以使FTO导电玻璃上方留一定空白区，作为电极夹固定区；将反应釜置于烘箱内，于160℃水热反应9小时，自然冷却至室温；然后将导电玻璃取出，用高纯水清洗，并用氮气吹干，得到覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃；再将覆有乳白色的薄膜的FTO导电玻璃置于马弗炉中，以4℃/分钟的速度升温至460℃，煅烧2小时后，自然冷却至室温，得到TiO₂光阳极；

(3)以步骤(2)所得的TiO₂光阳极为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极构成三电极体系，以含有4mmol/L三氯化铁、4mmol/L氯化镍、5.5mmol/L氟化钠、0.12mol/L氯化钾和1.02mol/L过氧化氢的水溶液为电解液，采用循环伏安法从-0.5到0.45V(vs.RHE)的电位区间，以220mV/s的扫速循环扫10圈，然后取出工作电极，经水洗、干燥，即得。

将实施例2中步骤(3)中的TiO₂光阳极换为FTO导电玻璃，按照步骤(3)实验参数进行电化学沉积，即得FTO/Ni_0.5Fe_0.5OOH。对空白基底FTO(FTO导电玻璃)、FTO/Ni_0.5Fe_0.5OOH及实施例2制备得到的TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH进行XRD表征，结果如图1所示，如图1中箭头所指，从上到下依次为TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH、FTO/Ni_0.5Fe_0.5OOH与空白基底FTO的XRD图。由图1可知，与空白基底FTO相比，FTO/Ni_0.5Fe_0.5OOH没有新衍射峰出现，该结果表明电沉积所得薄膜为无定型Ni_0.5Fe_0.5OOH材料。与空白基底FTO和FTO/Ni_0.5Fe_0.5OOH相比，实施例2所得TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光阳极分别在36.1°，62.8°和69.9°出现三个新的衍射峰，经过对比发现，这些衍射峰与标准金红石相TiO₂衍射峰(JCPDS File no.89-4920)结果一致，说明实施例2所得TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH中的TiO₂为金红石相。

对实施例2所得TiO₂光阳极及TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光电极进行XPS表征，结果如图2所示。由图2可知，与TiO₂光阳极相比，经过电化学沉积后出现了Ni、Fe两种元素的XPS峰，没有其他杂质峰，说明电化学沉积后得到了Ni_0.5Fe_0.5OOH，且在电化学处理过程不会引入其他外来的杂质。结合图1和图2可知，电沉积后可以得到无定型Ni_0.5Fe_0.5OOH。

在光电催化分解水的测试体系中，光电流是一种直观反映半导体对光子的吸收和利用能力的测试手段。将实施例2所得TiO₂光阳极、实施例1～3所制得的Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极进行光电化学分解水性能测试。测试系统采用三电极体系，分别以待测光阳极为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电解液为1mol/L氢氧化钾水溶液。电化学测试仪器为CHI 760E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，使用光源为500W氙灯光源(CEL-S500，中教金源)，通过施加AM 1.5G滤光片使光源的光谱接近模拟太阳光光谱，光功率通过功率计校准为100mW cm^-2。测试方法为线性扫描循环伏安法，线性扫描曲线(LSV)的电位测试范围为0.4V～1.6V vs.RHE，扫速为10mV s^-1，电解液为1mol L^-1氢氧化钾溶液，测试前须向电解液中通入高纯N₂，以除去电解液中的溶解氧，通气时间为40min，测试结果如图3和图4所示。

图3是在暗态(放置在暗箱中，不接受光照射)下，TiO₂光阳极和TiO₂/Ni_1-xFe_xOOH电极在一定偏压下的电化学性能测试。由图3可知，在不加光的情况下，TiO₂和TiO₂/Ni_1-xFe_xOOH电极的电流都接近于零，说明这些电极在一定偏压下的暗电流可以忽略。

图4是TiO₂光阳极和TiO₂/Ni_1-xFe_xOOH光电极在光照(使用氙灯光源)和一定偏压下进行测试所得的光电流。由图4可知，TiO₂虽然是窄带隙半导体，但由于载流子分离效率低和界面反应动力学缓慢，导致其在较低电位下电流都很小，起步电位较正。而修饰Ni_1-xFe_xOOH后不仅增加了光电流，在1.23V vs.RHE偏压下，TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH光电极的电流高达0.58mA cm^-2，是TiO₂电流的1.45倍。此外，从图中我们还可以看到，TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH光电极在较低偏压(0.3V vs.RHE)下就可以看到有明显的光电流产生，表明修饰Ni_1-xFe_xOOH后光电极的载流子分离得到有效改善。

对实施例2所得TiO₂光阳极及TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光阳极进行光电催化性能测试，为了更深入理解半导体/电解液界面上电荷的转移过程，测试了在光照状态下，TiO₂和TiO₂/Ni_1-xFe_xOOH光电极在开路电压时的交流阻抗谱(EIS)，研究光电极在修饰前后的界面电荷转移电阻、电容等变化。测试电解液为1mol L^-1氢氧化钾水溶液，测试前须向电解液中通入高纯N₂，以除去电解液中的溶解氧，通气时间为40min。测试结果如图5所示。

由图5可知，光照下，TiO₂/Ni_0.5Fe_0.5OOH复合光阳极的半圆较小，说明其具有的界面电荷转移电阻(R_ct)较小，这意味着该光电极具有更好的光生载流子的分离和更快的界面电荷转移过程。

终上所述，助催化剂Ni_1-xFe_xOOH可以有效改善TiO₂光电极的界面析氧反应动力学缓慢的问题，在AM 1.5G模拟太阳光照射和1.23V vs.RHE电压下，TiO₂/Ni_1-xFe_xOOH光电极的光电流密度增加了1.45倍，且在较低偏压(300mV vs.RHE)下就可以看到有明显的光电流产生，说明助催化剂Ni_1-xFe_xOOH的修饰有效抑制了光生载流子的复合，进而促进了界面处的析氧反应。

经测试，实施例4及实施例5所制得的Ni_1-xFe_xOOH修饰二氧化钛光电极在较低偏压(300mV vs.RHE)下也可以看到有明显的光电流产生，促进界面处的析氧反应。

最后说明的是，本发明中，制备复合光电极的参数可以在相应范围内调整，明显的集流体、半导体材料和助催化剂用量都可以做出相应的更换或改性。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。