Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及氧化铁纳米管阵列结构薄膜，具体涉及一种Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜及其制备方法。

背景技术：

在众多氧化物半导体中，α-Fe₂O₃属于热力学最稳定的晶型，与宽禁带半导体氧化物相比，其能够吸收太阳光波长高达554nm，可捕获到40％太阳光能量。α-Fe₂O₃理论最大光能转化为化学能效率(Photoconversion Efficiency of Light Energy to Chemical Energy，ε)为12.9％，超过美国能源部对实际应用半导体的ε至少为10％的要求，再加上其具有成本低，无毒、化学稳定性高(pH>3)等优点，受到越来越多的研究者青睐。但α-Fe₂O₃半导体薄膜具有自身电子迁移能力差(0.01cm2/V.s4to 0.1cm2/V.s4)，电子和空位复合率高，且空穴扩散长度短(2-4nm)等缺陷，在一定程度上限制了其应用。针对上述缺陷，现有技术中开发出纳米管阵列结构的α-Fe₂O₃薄膜，改善了α-Fe₂O₃半导体薄膜的上述缺陷，然而，仍旧存在光电化学性能不够高的缺陷。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜，通过进行Ag掺杂改善了纳米管阵列结构的氧化铁薄膜的光电化学性能；另外，本发明还同时提供了上述氧化铁薄膜的制备方法。

本发明采取的技术方案如下：

1.一种Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜，将氧化铁纳米管阵列结构薄膜浸渍于含Ag溶液中进行超声处理，氮气吹干后置于80-120℃条件下烘干，然后置于450-500℃氩气氛围中热处理3.5-5h即可获得。

优选的，将氧化铁纳米管阵列结构薄膜浸渍于0.06mol/L的AgNO₃溶液中进行超声处理，超声功率20KHz，超声时间30min；超声完毕后氮气吹干，然后置于80℃马弗炉中烘干12h，最后置于500℃氩气氛围中热处理4h即可获得。

优选的，所述AgNO₃溶液是将AgNO₃溶于体积分数95％的乙醇中配制成。

优选的，所述氧化铁纳米管阵列结构薄膜采用阳极氧化法在碳钢上制备。

优选的，述阳极氧化法的具体条件包括：工作电极为碳钢，对电极为Ti-Pt，两电极之间的距离为4cm；电解液为氟化铵、水和乙二醇的混合溶液，其中，氟化铵浓度为0.1mol/L，水的体积分数为0.3％，其余为乙二醇；阳极氧化结束后，取出工作电极，分别在去离子水和无水乙醇中浸泡5s，氮气吹干。

优选的，所述碳钢的化学成分为C 0.05wt.％，Si 0.01wt.％，Mn 0.25wt.％，P 0.015wt.％，Al 0.054wt.％，N 0.0049wt.％，其余为Fe；

碳钢的处理包括如下步骤：将碳钢加工为1cm×1cm×0.4cm的试样，并采用环氧树脂封装，试样暴露面积为1cm²；采用水砂纸逐级打磨，并选用0.3μm粒径的Al₂O₃抛光，水洗，无水乙醇、水、无水乙醇中各超声处理10min，氮气吹干。

2.Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜的制备方法，包括如下步骤：将氧化铁纳米管阵列结构薄膜浸渍于含Ag溶液中进行超声处理，氮气吹干后置于80-120℃条件下烘干，然后置于450-500℃氩气氛围中热处理3.5-5h即可获得。

需要说明的是，本发明中所述的氧化铁均为α-Fe₂O₃。

本发明的有益效果在于：本发明通过超声辅助处理向氧化铁纳米管阵列结构薄膜中掺杂Ag，获得了Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜，该薄膜与未掺杂Ag的氧化铁纳米管阵列结构薄膜相比，载流子浓度和光电流密度大幅度提高，光电化学性能更优。另外，本发明方法操作简单，产品易得，利于大规模地推广到光电解水产氢、有机物染料污水处理。

附图说明

图1为掺杂与未掺杂Ag的氧化铁纳米管阵列结构薄膜光照下在0.1M NaOH中Mott-Schottky曲线。通过分析发现，Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜的平带电位(-0.402VAg/AgCl)负移约50毫伏，载流子浓度(3.06×10²¹)提高16倍。

图2为掺杂与未掺杂Ag的氧化铁纳米管阵列结构薄膜光照下在0.1M NaOH中的曲线。通过分析发现，在Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜的光电流密度比未掺杂Ag氧化铁纳米管明显更高，如在0VAg/AgCl处Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜的光电流密度(0.314mA.cm^-2)是未掺杂的2倍多。

具体实施方式

现结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

一种Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜，该薄膜制备方法包括如下步骤：将氧化铁纳米管阵列结构薄膜浸渍于含Ag溶液中进行超声处理，氮气吹干后置于80-120℃烘箱中烘干，然后置于450-500℃氩气氛围中热处理3.5-5h即可；

优选地，可采取如下方法：将氧化铁纳米管阵列结构薄膜浸渍于0.06mol/L的AgNO₃溶液中进行超声处理，超声功率20KHz，超声时间30min；超声完毕后氮气吹干，然后置于80℃马弗炉中烘干12h，最后置于500℃氩气氛围中热处理4h。其中，AgNO₃溶液可通过将AgNO₃溶于体积分数95％的乙醇中制成。

优选地，氧化铁纳米管阵列结构薄膜可采用阳极氧化法在碳钢上制备，阳极氧化法的条件可以按如下设置：工作电极为碳钢，对电极为Ti-Pt，两电极之间的距离为4cm；电解液为氟化铵、水和乙二醇的混合溶液，其中，氟化铵浓度为0.1mol/L，水的体积分数为0.3％。

阳极氧化结束后，含Ag溶液浸渍前，可先将工作电极(外表面为氧化铁纳米管阵列结构薄膜)在去离子水和无水乙醇中各浸泡5s，氮气吹干。

工作电极中使用的碳钢的化学成分可以是C 0.05wt.％，Si 0.01wt.％，Mn 0.25wt.％，P 0.015wt.％，Al 0.054wt.％，N 0.0049wt.％，其余为Fe。碳钢在使用前需经过处理，处理过程可包括如下步骤：将碳钢加工为1cm×1cm×0.4cm的试样，并采用环氧树脂封装，试样暴露面积为1cm²；采用水砂纸逐级打磨至2000号水砂纸，并选用0.3μm粒径Al₂O₃抛光，水洗，无水乙醇、水、无水乙醇中各超声处理10min，氮气吹干。

采用纳米管阵列结构薄膜作为工作电极，铂作为对电极，Ag/AgCl为参比电极的三电极系统构成光电化学电池检测薄膜在1M NaOH溶液中的光电特性。光电化学电池采用石英窗作为入射窗口，采用140W氙灯。电化学工作站(EG&G273A)分析薄膜的光利用率和光电子传输和复合情况。采用Mott–Schottky技术分析薄膜在1M NaOH溶液中光照下载流子浓度，其中频率为3000Hz，电位扫描范围为-1.0到0.6V，扫描速度为50mV/s。采用动电位扫描技术监测薄膜在光照和暗态下阳极极化曲线，电位扫描范围为-0.5-0.4V，扫描速度为5mV.s^-1。将本发明所述方法制备的Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜与未掺杂Ag的氧化铁纳米管阵列结构薄膜的光电化学性能进行对比，结果如图1和图2所示，与未掺杂相比，在1M AgNO₃溶液中Ag掺杂氧化铁纳米管阵列结构薄膜的平带电位(-0.402V_Ag/AgCl)负移约50毫伏，载流子浓度(3.06×10²¹)提高16倍，光电流密度(在0V_Ag/AgCl处0.297mA.cm^-2)明显增加了2倍多。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。