光子晶体复合氧化铁纳米阵列光电极的复合材料制备方法与流程

本发明涉及无机纳米材料技术领域，具体涉及一种利用光子晶体复合氧化铁纳米阵列光电极的复合材料制备方法。

背景技术：

人类对能源的需求与日俱增，然而，较低的能源利用率仍然制约当今社会的可持续发展，因此，研发价格低廉、稳定、高效的新能源已引起政府部门和科研人员广泛关注。太阳能作为一种非常理想的可再生能源，具有来源广泛、成本低等优势。开发基于太阳能驱动反应的光电化学材料和技术，特别是研发具有高pec性能(光电化学性能)的光电极材料用于产出氧气等技术在一定程度上有效提高能源转换效率。

开发高效的具有可见光响应能力的光催化剂是科研人员一直努力的方向。赤铁矿(α-fe2o3)作为一种半导体材料，由于具有稳定的光学性能，合适的带隙(约2.1ev)，作为pec水氧化和pec二氧化碳(co2)还原的光阳极已被广泛研究。然而，其导电性差、电子-空穴复合速度快、空穴扩散长度短和析氧速度慢等问题极大地限制了其实际应用。

目前，能n型fe2o3作为光电阳极产氧的文献已有报道，其中，大多数提高fe2o3光电催化活性的方法主要是通过电化学负载助催化剂、抑制底物与赤铁矿界面重组及元素掺杂等。这些方法都是从材料本身提高fe2o3的光电催化活性，在一定程度上，这些复合材料自身在催化过程中的稳定性较差成为限制材料大规模应用的瓶颈。从光学水平上提高材料对光的利用率则为提高fe2o3的光电催化活性提供一种有效策略。通过将光子晶体与fe2o3材料复合，利用光子晶体对光的高效反射及其带边对光的散射作用，将光电催化材料未充分利用的光多次作用到fe2o3材料表面，，弥补fe2o3对光的利用率不足，从而从外部提高fe2o3的光电催化活性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种光子晶体复合氧化铁纳米阵列光电极的复合材料制备方法，通过研发由高丰度且廉价元素fe、o组成的fe2o3纳米阵列光电极，并将光子晶体复合到fe2o3纳米阵列光电极上，实现fe2o3的紫外吸收谱与光子晶体的反射峰相匹配，提高fe2o3的光电催化活性。该复合材料在碱性条件下具有较好的光电催化活性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

光子晶体复合氧化铁纳米阵列光电极的复合材料制备方法，包括如下步骤：

s1、合成fe2o3纳米阵列光电极：

s1.1、将fto玻璃依次在丙酮溶液、乙醇溶液、高纯水中各超声15min，然后取出fto玻璃用n2流将其吹干；此时用万能表测出fto玻璃的导电面，并用聚酰亚胺胶带将fto玻璃的不导电面完全粘住；

s1.2、将40ml水加入到50ml的反应釜中，称取0.6g无水三氯化铁和3.3g硝酸钠，并依次加入反应釜中，搅拌30min；然后往反应釜中滴加浓盐酸将ph调至1，再搅拌10min；

s1.3、往反应釜中放入经过步骤s1.1处理的fto玻璃，使fto玻璃平放在反应釜中且导电面朝上，然后拧紧反应釜，放入烘箱，在120℃下水热反应4h，反应完成后冷却至室温；

s1.4、将经过步骤s1.3的反应后的fto玻璃取出，依次用蒸馏水、无水乙醇冲洗，然后在60℃干燥箱中烘干；

s1.5、将烘干后的fto玻璃的含材料面朝上，平铺于瓷舟上后置于石英管内，通氮气以排出石英管中的空气；其后在n2氛围下600℃煅烧1h；煅烧完成后冷却至室温，将fto玻璃从石英管中取出，即可得到fe2o3纳米阵列光电极；

s2、合成光子晶体：

将单分散sio2胶体颗粒分散在乙醇和丙烯酸酯单体中，然后加热除去乙醇得到光子晶体前驱体，将其压制成薄膜，在紫外光下聚合，得到光子晶体薄膜；

s3、将步骤s2中制得的光子晶体复合在步骤s1中制得的fe2o3纳米阵列光电极上，得到复合材料。

进一步地，步骤s1.5中，所述石英管的内径为22mm、长度为800mm。

进一步地，步骤s1.5的所述通氮气以排出石英管中的空气中，通氮气20min，氮气的流速为400ml/min。

进一步地，步骤s1.5的所述在n2氛围下600℃煅烧1h中，氮气流速为200ml/min。

进一步地，步骤s3中，具体将步骤s2中制得的光子晶体薄膜复合在fe2o3纳米阵列光电极的背面。

上述制备方法制备得到的复合材料可在光电催化分解水中应用。

本发明的有益效果在于：

1、研发了由高丰度且廉价元素fe、o组成的fe2o3纳米阵列光电极，通过测定fe2o3的紫外吸收谱，研发相应的光子晶体，将光子晶体复合到材料上，可大大提高光的利用率，从而提高fe2o3的光电催化活性。该材料在碱性条件下具有较好的光电催化活性，与市面上普通的全反射镜相比，光子晶体对材料的光电性能提升更为明显。

2、本发明所需原料来源丰富、路线简单、重复性好、材料稳定性高。

附图说明

图1为本发明实施例中制备的fe2o3纳米阵列光电极的x射线衍射花样。

图2为本发明实施例中制备的fe2o3纳米阵列光电极的sem图片。

图3为本发明实施例中制备的fe2o3纳米阵列光电极的紫外吸收光谱和透射光谱，其中(a)为fe2o3纳米阵列光电极的紫外吸收光谱，(b)为fe2o3纳米阵列光电极的透射光谱。

图4为本发明实施例中制备的fe2o3纳米阵列光电极的i-t图。

图5为本发明实施例中制备的fe2o3纳米阵列光电极在不同合成条件下的光电催化性能。

图6为本发明实施例中制备的光子晶体薄膜的反射率图。

图7为本发明实施例中制备的fe2o3纳米阵列光电极分别复合全反射镜与光子晶体薄膜的光电催化性能。

图8为本发明实施例中制备的fe2o3纳米阵列光电极分别复合不同波段的光子晶体薄膜的光电催化性能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

一种光子晶体复合氧化铁纳米阵列光电极的复合材料制备方法，包括如下步骤：

s1、合成fe2o3纳米阵列光电极：

s1.1、将fto玻璃(1*2cm)依次在丙酮溶液、乙醇溶液、高纯水中各超声15min，然后取出fto玻璃用n2流将其吹干；此时用万能表测出fto玻璃的导电面，并用聚酰亚胺胶带将fto玻璃的不导电面完全粘住；

s1.2、将40ml水加入到50ml的反应釜中，称取0.6g无水三氯化铁和3.3g硝酸钠，并依次加入反应釜中，搅拌30min；然后往反应釜中滴加浓盐酸将ph调至1，再搅拌10min；

s1.3、往反应釜中放入经过步骤s1.1处理的fto玻璃，使fto玻璃平放在反应釜中且导电面朝上，然后拧紧反应釜，放入烘箱，在120℃下水热反应4h，反应完成后冷却至室温；

s1.4、将经过步骤s1.3的反应后的fto玻璃取出，依次用蒸馏水、无水乙醇冲洗，然后在60℃干燥箱中烘干；

s1.5、将烘干后的fto玻璃的含材料面朝上，平铺于瓷舟上后置于内径为22mm、长度为800mm的石英管内，通氮气20min以排出石英管中的空气，氮气的流速为400ml/min；其后在n2氛围下，200ml/min的氮气流速下600℃煅烧1h；煅烧完成后冷却至室温，将fto玻璃从石英管中取出，即可得到fe2o3纳米阵列光电极。

s2、合成光子晶体：

将单分散sio2胶体颗粒分散在体积比为1:0.2的乙醇(本实施例中用量为1ml)和丙烯酸酯单体(本实施例中用量为0.2ml)的混合物中，然后加热除去乙醇得到光子晶体前驱体，将其压制成薄膜，在紫外光下聚合，得到光子晶体薄膜。sio2胶体颗粒尺寸越小，浓度越高，反射波长蓝移，反之亦然，因此通过调控单分散sio2胶体颗粒的尺寸和浓度可实现调控光子晶体反射波长。

s3、将步骤s2中制得的光子晶体薄膜复合在步骤s1中制得的fe2o3纳米阵列光电极上，得到复合材料：

将步骤s2中制得的光子晶体薄膜复合在fe2o3纳米阵列光电极的不含材料面，可形成非接触式复合材料。通过调整光子晶体薄膜的复合数量，可实现其不同峰强、不同峰波长的调控。

上述制备方法制备得到的复合材料可在光电催化分解水中应用，具体在光电催化分解水中作为光电阳极。

步骤s1中所制得的fe2o3纳米阵列光电极的x射线衍射花样如图1所示，结果表明其是纯相的fe2o3。

步骤s1中所制得的fe2o3纳米阵列光电极的扫描电镜图像如图2所示，可见二维的纳米棒均匀生长，其中纳米棒的长度为700nm。

步骤s1中所制得的fe2o3纳米阵列光电极的紫外吸收光谱和透射光谱如图3(a)和图3(b)所示；

步骤s1中所制得的fe2o3纳米阵列光电极的i-t图如图4所示，测试电位为1.23v(vs.rhe)。

步骤s1中所制得的fe2o3纳米阵列光电极在不同合成条件下的光电催化性能如图5所示，可见最佳条件为在氮气氛围中600℃煅烧1h。

步骤s2中所制得的光子晶体薄膜的反射率如图6所示，其反射率随着光子晶体膜的数量增加而增强，三片的强度有60％左右。但其不呈线性关系，因为光子晶体薄膜的层与层之间有阻碍。

将步骤s1中制得的fe2o3纳米阵列光电极、步骤s1中制得的fe2o3纳米阵列光电极复合全反射镜、步骤s1中制得的fe2o3纳米阵列光电极复合步骤s2中得到的光子晶体薄膜(480nm(波长)*3(层数)、580nm*3)的光电催化性能进行对比，对比结果如图7所示，可见光子晶体薄膜对fe2o3的光电催化性能提升比全反射镜明显，在低电位时更为明显。

将步骤s1中制得的fe2o3纳米阵列光电极分别复合不同波段的光子晶体薄膜并对光电催化性能进行对比，对比结果如图8所示。从图8可见，复合了三片光子晶体薄膜之后，同时增加了fe2o3对光的利用率，光电催化性能增加明显。在光子晶体薄膜480nm与580nm处光电催化性能提升效果最为明显。

下面通过实验说明fe2o3纳米阵列光电极、fe2o3纳米阵列光电极复合不同波段的光子晶体的光电性能：

取80ml1mkoh溶液置于光电化学池中，采用三电极系统，以pt片为对电极，ag/agcl为参比电极，分别以fe2o3纳米阵列光电极、fe2o3纳米阵列光电极复合不同波段的光子晶体得到光电极、fe2o3纳米阵列光电极复合同一波段不同数量的光子晶体得到的光电极为工作电极，确保插入电解质溶液的电极面积为1cm²，使用线性循环伏安法，设定电压范围为-0.7-0.4v，然后打开am1.5太阳光模拟器，用直尺测量工作电极距离氙灯灯头的距离为6cm，点击运行。通过上述实验方法，其光电催化性能如图8所示，结果表明，480nm和580nm的光子晶体薄膜对fe2o3纳米阵列光电极的光电催化性能有更好的提升。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。