本发明属于光电化学技术领域，具体涉及一种高光电转换效率的sn2nb2o7光阳极的制备方法。
背景技术：
光电化学(pec)分解水的技术是一种环境友好型技术，能够利用太阳光分解水制氢获得可再生能源，这已经成为目前解决环境和能源问题的主要手段。在pec系统中，光阳极是决定系统性能的关键组成部分。因此，提高光阳极的性能已成为pec研究中最重要的课题之一，是实现光电化学分解水大规模应用的关键。
sn2nb2o7是一种n型可见光驱动的半导体，其带隙约为2.7ev。目前，关于sn2nb2o7在pec中的应用的报道并不多，并且在仅有的几篇报道中，其产生的光电流小、量子效率低。因此，如何提高sn2nb2o7的光电转换效率成为研究的重点。
技术实现要素：
本发明提供一种高光电转换效率的sn2nb2o7光阳极的制备方法，使得电极薄膜中载流子进行有效传输，降低电子空穴复合率，从而提高光阳极的光电转换效率，本发明的方法简单、方便、容易操作、有利于进行大规模制备。
本发明采用的技术方案为：一种高光电转换效率sn2nb2o7光阳极，首先利用磁控溅射的方法在导电基底上附着一层sn2nb2o7薄膜，再通过溶胶-凝胶法在sn2nb2o7薄膜上浸渍sn2nb2o7胶体，再通过电泳沉积法在浸渍sn2nb2o7胶体的sn2nb2o7薄膜上沉积sn2nb2o7粉体，最后在氮气环境下经高温退火处理制得。
一种高光电转换效率sn2nb2o7光阳极的制备方法，包括如下步骤：
1)利用磁控溅射的方法在导电基底上附着一层sn2nb2o7薄膜：安装sn2nb2o7靶材和fto基底，导电层面向靶材，采用射频溅射的方式，调整靶材与基底的间距，对磁控溅射镀膜设备的溅射腔室进行抽真空处理，至本底气压为1.7×10-4pa；设定射频电源功率，调整溅射腔室气压为2.5pa，溅射过程中的气压保持在2.5pa，fto不加热，并设置沉积时间；将制得的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底密封保存。
优选的，调整靶材与基底的间距为5-6cm。
优选的，设定射频电源功率为50w，设置沉积时间为2h。
2)通过溶胶-凝胶法在sn2nb2o7薄膜上浸渍sn2nb2o7胶体：将适量的nbcl5粉末溶于无水乙醇中，搅拌均匀，加入适量的sno，继续搅拌，再加入微量聚乙二醇，搅拌后获得溶胶-凝胶；将步骤1)制备的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底浸渍到获得的溶胶-凝胶中，停留，提拉，在室温条件下晾干；在管式炉中，在氮气环境下退火处理，得到浸渍sn2nb2o7胶体的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底。
优选的，停留时间为2min，提拉速度为1mm/s。
优选的，退火处理温度为400℃，焙烧时间为60min。
3)通过电泳沉积法在浸渍sn2nb2o7胶体的sn2nb2o7薄膜上沉积sn2nb2o7粉体：将适量的sn2nb2o7粉末和i2超声震荡于丙酮中，得电泳沉积的悬浮液；将步骤2)制备的浸渍sn2nb2o7胶体的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底与一个清洗干净的fto基底插入到电泳沉积的悬浮液中，并在两电极间施加一定的直流电压，沉积设定的时间后，切断电流，将电极从悬浮液中取出，在室温条件下晾干，在管式炉中，在氮气环境下退火处理，得到sn2nb2o7光电极薄膜。
优选的，在两电极间施加20v的直流电压，沉积时间为1min。
优选的，退火处理温度为500℃，焙烧时间为90min。
本发明具有以下有益效果：
溶胶-凝胶法和电泳沉积法都是常见的制备电极薄膜的方法，其具有成本低、易操作、耗时短等优点，但是电泳沉积法制备出的薄膜颗粒间连接性差，并且与导电基底的附着力小，限制光生载流子的传输，从而导致电极薄膜的光电转换效率低。本发明通过溶胶凝胶和磁控溅射的方法增加薄膜颗粒之间的连接性，增强与导电基底的附着力。本发明将磁控溅射法与溶胶-凝胶法和电泳沉积法相结合，先通过磁控溅射法在导电玻璃基底上覆盖一层致密的sn2nb2o7薄膜，然后利用溶胶-凝胶法在该薄膜上浸渍提拉一层薄膜，经过退火会先形成稳定的状态，最后再利用电泳沉积法在该薄膜上沉积一层sn2nb2o7粉体，经过高温退火处理后，形成高结晶性的sn2nb2o7光阳极薄膜。本发明的方法缓解了通过电泳沉积法制备薄膜的缺点，降低了孔隙率，并改善了颗粒间的连接性，从而提高了载流子的传输效率以及导电基底对电子的收集效率，获得了高pec性能的sn2nb2o7光阳极。
本发明先通过磁控溅射法在导电基底上生长一层致密的sn2nb2o7薄膜，然后利用溶胶-凝胶法浸渍提拉一层sn2nb2o7薄膜，最后利用电泳沉积法在该薄膜上沉积一层sn2nb2o7粉体，再经过高温退火处理后，形成高结晶性的sn2nb2o7光阳极薄膜。本发明方法简单、容易操作，除了sn2nb2o7光电极体系外，还可广泛的应用于其他的半导体光电极体系。
附图说明
图1为实施例1制备的sn2nb2o7光阳极薄膜的xrd图。
图2为实施例1制备的sn2nb2o7光阳极薄膜的sem图。
图3为实施例2中sno与sno-s薄膜的阻抗图谱的对比图。
图4为实施例2中sno与sno-s薄膜的量子效率对比图。
具体实施方式
实施例1高光电转换效率sn2nb2o7光阳极
(一)sn2nb2o7粉末的制备：
1)量取5.034gsno和4.663gnb2o5混合在研钵里，研磨20min，将两种物质充分混合；
2)将以上两种混合后的物质转移到坩埚中，将其放在管式炉中，900℃下焙烧4小时；
3)将得到的物质经过研磨，最后得到黄色粉末为sn2nb2o7。
(二)高光电转换效率sn2nb2o7光阳极(sno-s)的制备：
1)磁控溅射沉积过程：首先，安装sn2nb2o7靶材和fto基底，导电层面向靶材，采用射频溅射的方式，调整靶材与基底的间距为5.5cm。对磁控溅射镀膜设备的溅射腔室进行抽真空处理，至本底气压为1.7×10-4pa。设定射频电源功率为50w，调整溅射腔室气压为2.5pa。溅射过程中的气压保持在2.5pa，fto不加热，保持沉积时长为120分钟，制得附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底，密封保存。
2)溶胶-凝胶过程：将0.5gnbcl5溶于15ml无水乙醇中，磁力搅拌30min。加入0.5gsno，继续搅拌30min，期间加入0.2ml聚乙二醇，形成溶胶-凝胶；将步骤1)制备的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底浸渍到溶胶-凝胶中，停留2min，然后以1mm/s的速度提拉出来，在室温环境下晾干，然后放入管式炉中，在氮气环境下，于400℃退火60min，得到浸渍sn2nb2o7胶体的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底。
3)电泳沉积过程：将研磨的40mgsn2nb2o7粉体和10mg碘分散于25ml丙酮中，超声分散60min，制得均匀的电泳沉积的悬浮液。将步骤2)制备的浸渍sn2nb2o7胶体的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底与一个清洗干净的fto基底(10mm×20mm)插入到此电泳沉积的悬浊液中，并在两极间施加20v的恒定直流电压，沉积1min后，切断电流，将沉积sn2nb2o7粉体、浸渍sn2nb2o7胶体的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底取出，在空气中自然晾干。最后，在管式炉中，在氮气环境中，500℃退火90min，标记为sno-s。
(三)对比例sn2nb2o7光阳极(sno)的制备：
重复步骤3)，只是将步骤3)中，插入电泳沉积悬浊液中的浸渍sn2nb2o7胶体的附着一层sn2nb2o7薄膜的fto基底替换成另一个清洗干净的fto基底，最终获得只经过电泳沉积了sn2nb2o7粉末的sn2nb2o7光阳极，标记为sno。
(四)检测
将(二)和(三)得到的两个样品sno-s和sno进行xrd测试，结果如图1所示，从图中可以看出sno-s的结晶性高于sno。
将(二)和(三)得到的两个样品sno-s和sno进行sem测试，结果如图2所示，(a)为磁控溅射得到的薄膜，大小均一，但是质地很薄，经过磁控溅射、溶胶-凝胶和电泳沉积得到的sno-s(b)，更有利于载流子传输。
实施例2高光电转换效率sn2nb2o7光阳极(sno-s)的应用
分别将实施例1制备的sno和sno-s光阳极进行光电流、阻抗、以及量子效率等一系列的光电化学性能测试。
所有电化学实验测试过程都在三电极体系的电化学工作站(princetonappliedresearch2273)中进行。样品薄膜作为工作电极，铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，电解液为0.5m硫酸钠，样品光照射面积为1cm2，光源为300w氙灯。
电化学阻抗谱(eis)测试：固定的电压为0vvs.voc，频率范围是0.1～105hz。测得结果如图3所示，sno-s的阻抗远小于sno；
量子效率(ipce)测试：选取多个波长(365nm，380nm，390nm,410nm,420nm,430nm,450nm,460nm,490nm，520nm)的单色光照射样品，测得其在偏压为1.18vvs.vrhe时的光电流。利用公式：
其中，i为光电流密度(单位：μa)，λ为入射单色光波长(nm)，p为入射光强(单位：μw)。通过计算得出量子效率的值，结果如图4所示，在波长为385nm单色光照射下的量子效率最高。