一种金属硼化物修饰α-Fe2O3基光阳极的制备方法与流程

本发明属于新能源材料技术领域，特别涉及金属硼化物修饰α-fe2o3基光阳极的制备方法。

背景技术：

随着全球经济的不断发展，能源短缺和环境污染仍是亟待解决的两大难题，开发新能源成为人们当前的热点话题。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、能量巨大的自然资源备受关注。太阳能光电化学转化是利用半导体材料的光催化作用将太阳能转化成化学能，如氢气、有机物等。其中，氢气燃烧效率高，产物无污染，是一种清洁、高效的新能源。因此利用太阳能光电化学分解水制氢极具发展前景。

α-fe2o3是一种n型半导体材料，具有对环境友好、价格低廉、耐腐烛、无毒、转换效率高等显著的优点。然而单一的半导体材料受自身因素的限制，很难成为理想的半导体来满足未来对光解水产氢的应用要求。氧化铁基光阳极其较短的载流子寿命，以及较短的空穴扩散距离限制了其光电转换效率。通常利用如下办法来提高氧化铁基光阳极水氧化效率：（1）通过掺杂改变化学成分，（2）改变氧化铁纳米结构，（3）用析氧催化剂进行表面改性，（4）用无机材料进行表面钝化。因此，需要寻找一种有效的改性方法来提高α-fe2o3的光电性能。

技术实现要素：

本发明目的是，本发明属于新能源材料技术领域，特别涉及金属硼化物修饰α-fe2o3基光阳极的制备方法。利用金属硼化物作为析氧助催化剂来加快析氧反应动力学过程。

本发明的技术方案是，一种金属硼化物修饰α-fe2o3基光阳极的制备方法，其特征是包括如下步骤：

1)首先在fto基底上生成β-feooh；

2)将步骤1中制得的β-feooh进行热处理后，得到α-氧化铁光阳极（α-fe2o3）；

3)通过光辅助电沉积法在步骤2所制得的α-fe2o3表面沉积金属硼化物（m-bi），最终得到金属硼化物修饰α-fe2o3基光阳极（m-bi/fe2o3）。

进一步，步骤1中水热反应的反应液为0.15mol/l氯化铁和1mol/l硝酸钠的混合水溶液，反应条件为95℃反应5小时，自然冷却至室温。

进一步，步骤2中的热处理工艺为两步退火法，首先升温至550℃保温2小时，再直接升温至750℃保温10min，升温速率为10℃/10min，自然冷却至室温。

进一步，步骤3中光辅助电沉积条件具体如下：1)电解液为1.0mmol/l金属离子溶液与0.2mol/l硼酸钠的混合水溶液；2)沉积电压为0.4v(vsag/agcl)；3)沉积时间为50s～400s；4)光强为100mwcm^-2。

本发明的有益效果：采用本方法制备的金属硼化物修饰的α-fe2o3基光阳极，其性能相较于基础α-fe2o3光阳极有明显提升，在模拟太阳光下光阳极的正面光电流分别达到0.335ma/cm²。实现了太阳能向化学能的转换。

附图说明

图1是ni-bi/fe2o3光阳极的透射电镜照片

图2是α-fe2o3、ni-bi/fe2o3及co-bi/fe2o3光阳极在可见光下的光电流密度。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

具体实施例1：

α-fe2o3光阳极的制备方法包括如下步骤：

1)将fto依次使用异丙醇、丙酮、乙醇和水进行超声清洗。fto清洗吹干后，以背对背且垂直内衬底面的(fto的sno2面正对内衬壁)方式放置于聚四氟乙烯内衬里。在50ml水溶液里加入10ml的0.15mol/l氯化铁和1mol/l硝酸钠的混合水溶液，搅拌10min。将搅拌后的溶液加入聚四氟乙烯内衬中，然后将聚四氟乙烯内衬置于高压釜密封，在马弗炉中95℃下加热5小时。水热之后，fto上生长了一层淡黄色半透明的β-feooh薄膜，将β-feooh薄膜用去离子水清洗后风干。

2)将β-feooh放在马弗炉中进行热处理，热处理工艺为两步退火法，首先升温至550℃保温2小时，再直接升温至750℃保温10min，升温速率为10℃/10min，自然冷却至室温，得到α-fe2o3光阳极。

具体实施例2：

ni-bi/fe2o3光阳极的制备方法包括如下步骤：

1)称量0.006gnicl2•4h2o并溶于25ml去离子水中，配置成1mmol/l的氯化镍水溶液，在氯化镍水溶液中加入1.907gna2b4o7•10h2o，四硼酸钠浓度为0.2mol/l；

2)将具体实施例1中制得的α-fe2o3光阳极作为工作电极，铂片电极作为对电极，ag/agcl电极作为参比电极组成三电极体系。使用步骤1中配置的氯化镍和四硼酸钠的混合溶液作为电解液，在100mwcm^-2光强下进行光辅助电沉积，沉积电压为0.4v(vsag/agcl)；3)沉积时间为40s～500s，得到镍硼修饰的氧化铁光电极（ni-bi/fe2o3），结果表明沉积时间为400s时性能最优。

具体实施例3：

co-bi/fe2o3光阳极的制备方法包括如下步骤：

1)称量0.006gcocl2•6h2o并溶于25ml去离子水中，配置成1mmol/l的氯化钴水溶液，在氯化钴水溶液中加入1.907gna2b4o7•10h2o，四硼酸钠浓度为0.2mol/l；

2)将具体实施例1中制得的α-fe2o3光阳极作为工作电极，铂片电极作为对电极，ag/agcl电极作为参比电极组成三电极体系。使用步骤1中配置的氯化钴和四硼酸钠的混合溶液作为电解液，在100mwcm^-2光强下进行光辅助电沉积，沉积电压为0.4v(vsag/agcl)；3)沉积时间为40s～500s，得到钴硼修饰的氧化铁光电极（co-bi/fe2o3），结果表明沉积时间为400s时性能最优。

图1给出了ni-bi/fe2o3光阳极的透射电镜照片，从图中可以看出所制得的ni-bi/fe2o3光阳极是具有核壳结构的纳米棒状，这层核壳结构就是生成的ni-bi析氧助催化剂。

图2给出了α-fe2o3、ni-bi/fe2o3及co-bi/fe2o3光阳极在可见光下的光电流密度，从图中可见，α-fe2o3、ni-bi/fe2o3及co-bi/fe2o3的正面光电流分别为0.181、0.335、0.368ma/cm²。与基础氧化铁相比，ni-bi/fe2o3的正面光电流分别提升85%；co-bi/fe2o3的正面光电流分别提升103%。且修饰ni-bi和co-bi后，α-fe2o3光阳极的起始电势得到提升，其中ni-bi修饰提升的更多。