专利名称：一种提高纳米氧化铁薄膜光电性能的电化学方法
技术领域：
本发明涉及对薄膜材料的表面改性，特别是采用电化学的方法对纳米氧化铁光电薄膜材料的改性。
背景技术：
21世纪能源和环境依然是人类面临的两大难题。随着人类对能源需求的不断增大，人们开始把化石、煤炭等不可再生能源转向清洁、高效的新能源。自1972年日本的Fujishima和Honda报道了单晶TiO2电极在紫外光照射下能持续发生水的氧化还原反应产氢气，标志着光催化在太阳能的转化和利用方面取得开拓性的进展。半导体光电材料的优点在于:实现能源转化仅需要光、催化剂、水等，不会带来二次环境污染及潜在的危害。α -氧化铁薄膜材料是一种N型半导体材料，它材料易得，成本低廉，稳定性好，耐污染力强，它的价带宽度为2.2 eV，与太阳光的峰值接近，对可见光有较强的吸收，有报道说，其可以吸收40%的可见光。氧化铁电极存在的问题主要是OER反应速率缓慢和较低的电荷传输效率，以及光电复合的问题。为了解决电荷传输的问题现在主要从以下两个方面进行研究:一、改变电极的表面形貌，尽可能的减小纳米颗粒的尺寸和晶粒的方向，尽可能的缩短电荷从产生到电极表面的距离，这样可以有效的减少电子和空穴的复合。二、通过在电极中掺入其它的元素来提高载流子的密度，提高电极的光电化学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单，可控制性强，成本低廉的提高纳米氧化铁薄膜光电性能的电化学方法。本发明的提高纳米 氧化铁薄膜光电性能的电化学方法，包括如下步骤:
1)依次用乙醇、丙酮和去离子水超声清洗基体ITO导电玻璃，氮气干燥；
2)按每3.24 g的FeCl3.6H20，加入200 ml乙醇，0.4 ml钛酸丁酯，0.13 ml盐酸，混合均匀，制得FeCl3胶体；
3)在上述ITO导电玻璃上旋涂FeCl3胶体，然后将涂有胶体的ITO导电玻璃放入马弗炉中，于350°C焙烧5 min,按照上述方法重复旋涂、焙烧数次，最后一次在550°C焙烧4h，得到纳米氧化铁薄膜；
4)将Fe(III)的化合物、三乙醇胺和氢氧化钠充分溶解于去离子水中，得到电解液，使电解液中Fe (III)的浓度为0.05 0.09 mol/L，三乙醇胺的浓度为0.1 mol/L,氢氧化钠的浓度为2 mol/L ；
5)将经步骤3)处理的纳米氧化铁薄膜放入步骤4)配置的电解液中，以纳米氧化铁薄膜为工作电极，钼电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，加-0.6 V -1.0 V电压，进行电化学表面处理30 s 120 S。本发明中，所述的Fe(III)的化合物可以是？6(勵3)^6(:13.6!120或？62(504)3。纳米氧化铁薄膜的厚度可通过重复旋涂和焙烧的次数来控制。
本发明方法设备简单，可操作性强，成本低廉，环境友好，清洁无污染，能极大的提高纳米氧化铁的光电性能，有望在半导体光伏及光分解水领域得到应用。
图1是电化学表面处理不同时间下的纳米氧化铁薄膜的光电性能。图中:曲线(I)为电化学表面处理前的暗态电流；曲线(2)为加-0.8 V电压，电化学表面处理60 s后的暗态电流；曲线(3)为电化学化学表面处理前的光电流；曲线(4)加-0.8 V电压，电化学表面处理30 s后的光电流；曲线(5)为加-0.8 V电压，电化学表面处理60 s后的光电流；曲线(6)为加-0.8 V电压，电化学表面处理120 s后的光电流。图2是电化学表面处理不同电压下的纳米氧化铁薄膜的光电性能。图中:曲线(I)为电化学表面处理前的暗态电流；曲线(2)为加-0.8 V电压，电化学表面处理60 s后的暗态电流；曲线(3)为电化学化学表面处理前的光电流；曲线(4)为加-0.6 V电压，电化学表面处理60 s后的光电流；曲线(5)为加-0.8 V电压，电化学表面处理60 s后的光电流；曲线(6)为加-1.0 V电压，电化学表面处理60 s后的光电流；
具体实施方式
:
以下结合实施例进一步说明本发明。实施例1
1)依次用乙醇、丙酮和去离子水超声清洗基体ITO导电玻璃，氮气干燥；
2)称取3.24 g的FeCl3.6H20转移到试剂瓶中，加入200 ml乙醇，0.4 ml钛酸丁酯，
0.13 ml盐酸，混合均匀，制得FeCl3胶体；
3)将上述ITO导电玻璃放到匀胶机上，用胶头滴管滴加0.5 ml的FeCl3胶体，在转速I 600 R/min和转速II 1800 R/min分别旋转6 s和10 S，待旋转结束后，将ITO导电玻璃取下，放入马弗炉中，于350°C焙烧5 min后取出。按照上述方法重复旋涂焙烧8次，最后一次于550°C焙烧4 h，然后自然冷却，得到纳米氧化铁薄膜；
4)采用浓度为Imol/L NaOH水溶液作为电解液，将经步骤3)处理的纳米氧化铁薄膜放入电解液中，以纳米氧化铁薄膜为工作电极，钼电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，用上海辰华仪器公司的电化学工作站CHI630C进行光电性能测试。测得电化学表面处理前的暗态电流，见图1中的曲线(I)和图2中的曲线(I)。在步骤4)中再加光源为GY-12型高压球形氙灯(λ >420 nm，光强为22.93 mffcm_2)照射，得到电化学表面处理前的光电流，见图1中的曲线(3)和图2中的曲线(3)。实施例2
1)依次用乙醇、丙酮和去离子水超声清洗基体ITO导电玻璃，氮气干燥；
2)称取3.24 g的FeCl3.6H20转移到试剂瓶中，加入200 ml乙醇，0.4 ml钛酸丁酯，
0.13 ml盐酸，混合均匀，制得FeCl3胶体；
3)将上述ITO导电玻璃放到匀胶机上，用胶头滴管滴加0.5ml的FeClJ交体，在转速I600 R/min和转速II 1800 R/min分别旋转6 s和10 S，待旋转结束后，将ITO导电玻璃取下，放入马弗炉中，于350°C焙烧5 min后取出。按照上述方法重复旋涂焙烧8次，最后一次于550°C焙烧4 h，然后自然冷却，得到纳米氧化铁薄膜；
4)将FeCl3.6H20、三乙醇胺和氢氧化钠充分溶解于去离子水中，得到电解液，使电解液中FeCl3.6H20的浓度为0.09 mol/L，三乙醇胺的浓度为0.1 mol/L，氢氧化钠的浓度为2mol/L ；
5)将经步骤3)处理的纳米氧化铁薄膜放入步骤4)配置的电解液中，以纳米氧化铁薄膜为工作电极，钼电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，加-0.8 V电压，进行电化学表面处理30 S。加光源为GY-12型高压球形氙灯(λ >420 nm，光强为22.93 mff cm—2)照射，用上海辰华仪器公司的电化学工作站CHI630C进行光电性能测试。测试结果见图1中的曲线(4)，即加-0.8 V电压，电化学表面处理30 s后的光电流。实施例3
方法同实例2，区别在于步骤5)进行电化学表面处理60 S。加光源为GY-12型高压球形氙灯(λ >420 nm，光强为22.93 mff cm—2)照射，用上海辰华仪器公司的电化学工作站CHI630C进行光电性能测试。测试结果见图1中的曲线(5)和图2中的曲线(5)，即加-0.8 V电压，电化学表面处理60 s后的光电流。不加光源照射，用上海辰华仪器公司的电化学工作站CHI630C进行光电性能测试。测试结果见图1中的曲线(2)和图2中的曲线(2)，即加-0.8 V电压，电化学表面处理60 s后的暗态电流。实施例4
方法同实例2，区别在于步骤5)进行电化学`表面处理120 S。加光源为GY-12型高压球形氙灯(λ >420 nm,光强为22.93 mff cm—2)照射，用上海辰华仪器公司的电化学工作站CHI630C进行光电性能测试。测试结果见图1中的曲线(6)，即加-0.8 V电压，电化学表面处理120 s后的光电流。从图1可见，经过电化学表面处理前后，纳米氧化铁薄膜的暗态电流基本不变。经过电化学表面处理后，纳米氧化铁薄膜的光电性能有显著的提高，即光电流明显增大；并且电化学表面处理60 s后，纳米氧化铁薄膜的光电性能达到最强，即光电流达到最大。实施例5
方法同实例2，区别在于步骤5)加-0.6 V电压，进行电化学表面处理60 s ；
加光源为GY-12型高压球形氙灯(λ >420 nm，光强为22.93 mff cm_2)照射，用上海辰华仪器公司的电化学工作站CHI630C进行光电性能测试。测试结果见图2中曲线(4)，即加-0.6 V电压,进行电化学表面处理60 s后的光电流。实施例6
方法同实例2，区别在于步骤5)加-1.0V电压，进行电化学表面处理60 s；
加光源为GY-12型高压球形氙灯(λ >420 nm，光强为22.93 mff cm_2)照射，用上海辰华仪器公司的电化学工作站CHI630C进行光电性能测试。测试结果见图2中曲线(6)，即加-1.0V电压,进行电化学表面处理60 s后的光电流。从图2可见，经过电化学表面处理后，纳米氧化铁薄膜的光电性能有显著的提高，即光电流明显增大；并且加不同的电压影响其光电性能。当加-0.8 V时其光电性能达到最大，即光电流最大。
权利要求
1.一种提高纳米氧化铁薄膜光电性能的电化学方法，其特征在于包括如下步骤: 1)依次用乙醇、丙酮和去离子水超声清洗基体ITO导电玻璃，氮气干燥； 2)按每3.24 g的FeCl3.6H20，加入200 ml乙醇，0.4 ml钛酸丁酯，0.13 ml盐酸，混合均匀，制得FeCl3胶体； 3)在上述ITO导电玻璃上旋涂FeCl3胶体，然后将涂有胶体的ITO导电玻璃放入马弗炉中，于350°C焙烧5 min,按照上述方法重复旋涂、焙烧数次，最后一次在550°C焙烧4h，得到纳米氧化铁薄膜； 4)将Fe(III)的化合物、三乙醇胺和氢氧化钠充分溶解于去离子水中，得到电解液，使电解液中Fe (III)的浓度为0.05 0.09 mol/L，三乙醇胺的浓度为0.1 mol/L,氢氧化钠的浓度为2 mol/L ； 5)将经步骤3)处理的纳米氧化铁薄膜放入步骤4)配置的电解液中，以纳米氧化铁薄膜为工作电极，钼电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，加-0.6 V -1.0 V电压，进行电化学表面处理30 s 120 S。
2.根据权利I要求所述的提高纳米氧化铁薄膜光电性能的电化学方法，其特征在于所述的 Fe (III)的化合物是 Fe (NO3) 3、FeCl3.6H20 或 Fe2 (SO4) 3。
全文摘要
本发明涉及提高纳米氧化铁薄膜光电性能的电化学方法，步骤包括将用FeCl3.6H2O、乙醇、钛酸丁酯和盐酸配制的FeCl3胶体旋涂在清洁的ITO导电玻璃上，经过焙烧，得到纳米氧化铁薄膜；将Fe(Ⅲ)的化合物、三乙醇胺和氢氧化钠配制成电解液；将纳米氧化铁薄膜放入电解液中，以纳米氧化铁薄膜为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，外加-0.6V～-1.0V电压，进行电化学表面处理30s～120s。该方法设备简单，可操作性强，成本低廉，环境友好，清洁无污染，能极大的提高纳米氧化铁的光电性能，有望在半导体光伏及光分解水领域得到应用。
文档编号C23C20/08GK103184443SQ20131009212
公开日2013年7月3日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者朱红乔, 李想, 李海丽, 冷文华 申请人:浙江大学