一种铁电薄膜BiFeO3@SnS2复合光电极的制备方法

本发明涉及纳米复合材料合成，特别涉及一种铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极的制备方法。

背景技术：

1、光电化学技术能够将丰富的太阳能转换清洁的电能或者化学能（氢能）等，在解决能源短缺和环境污染等领域具有潜在性的应用。一个完整光电化学系统由半导体光电极、对电极以及电解液构成而言，通常其工作过程如下：光照射光电极材料表面时，价带电子跃迁至导带，形成光生载流子（电子-空穴对）；载流子发生分离并迁移；载流子迁移至不同电极表面发生氧化还原反应。在众多的光电极材料中，铁电材料铁酸铋（bifeo3）拥有价格低廉、环境友好、化学性质稳定以及能够吸收利用占太阳光能量40%左右的可见光部分（光学带隙为2.2-2.8 ev）等优点。但是，bifeo3作为光电极材料的应用方面仍然具有两个难题：如何才能能够提高光能的捕获效率和光生载流子的分离效率。针对上述的问题，人们采取了多种的改进方法，提高光电极材料的光电化学性能。有相关研究表明，当半导体光电极材料表面复合其他窄带隙材料时，不仅能够增强光电极对光能的捕获效率，而且能够通过两者之间的能带匹配性能，进一步保证光生载流子的分离和传输性能的提高。

2、二维硫化物材料二硫化锡（sns2）对光波响应范围可以达到近红外区域，是一种优异可见光材料，在光电转换领域受到越来越多科研工作者的关注。sns2在光电化学中的研究主要从以下两个方面考虑：一是对其形貌以及尺寸进行调控，改变其能带结构与比表面积，提升复合光电化学器件的光电转换效率；二是将其与其他半导体材料复合形成异质结，不仅能增强光电极对可见光的吸收，而且两者之间的异质结能带匹配作用能改善载流子的分离效率，进而提升复合光电化学器件的光电转换效率。因此，在bifeo3光电极表面负载二维硫化物sns2，制备铁电薄膜bifeo3/sns2光电极，能够进一步提升bifeo3光电极对光的吸收利用效率，并且bifeo3与二维硫化物bifeo3之间的形成的异质结能带匹配作用能够进一步促进光生载流子的分离和传输性能。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极的制备方法，以结合溶胶凝胶法以及旋涂法制备的铁电材料bifeo3薄膜光电极为基础，通过水热法制备了二维硫化物二硫化锡（sns2）复合光电极，实现光电转换效率的提升。本发明制备的光电极不仅能够保证对光的利用效率，而且能够促进光生载流子的分离和传输。

2、技术方案：本发明提供了一种铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一、溶胶-凝胶法配制bifeo3前驱液

4、在乙二醇甲醚溶液中加入硝酸铋和硝酸铁，搅拌至溶解，再在溶解液中加入柠檬酸，得bifeo3前驱液；

5、步骤二、旋涂法制备bifeo3光电极薄膜

6、将所述bifeo3前驱液滴加到导电基底上，快速旋涂，得bifeo3光电极湿膜，并将所述bifeo3光电极湿膜进行退火处理，得bifeo3光电极薄膜；

7、步骤三、水热法原位生长sns2材料，制备bifeo3@sns2复合光电极

8、将四氯化锡和硫代乙酰胺加入到无水乙醇溶液中超声分散处理得sns2前驱液，然后将所述bifeo3光电极薄膜放进所述sns2前驱液中，密封后置于电热鼓风干燥箱内保温处理，将保温处理后的光电极洗涤后干燥，得bifeo3@sns2复合光电极。

9、进一步地，步骤三中，所述四氯化锡的称取量范围为14 -280 mg；所述硫代乙酰胺的称取量范围为15 -300 mg；

10、和/或，所述四氯化锡与硫代乙酰胺中sn源和s源材料的摩尔比为1:5；

11、进一步地，所述四氯化锡的称取量为140 mg，所述硫代乙酰胺的称取量量为150mg。

12、进一步地，步骤三中，所述无水乙醇溶液的体积为30 ml。

13、进一步地，步骤三中，所述保温处理具体为120-160℃下保温处理8-12小时；

14、进一步地，步骤三中，所述保温处理具体为140℃下保温处理10小时。

15、优选地，步骤三中，所述洗涤为用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次。

16、进一步地，步骤一中，所述柠檬酸、硝酸铋及硝酸铁中金属离子的摩尔比为2：1：1；柠檬酸作为螯合剂材料，可以促进bifeo3前驱液的胶体形成。

17、进一步地，步骤一中，所述bifeo3前驱液的摩尔浓度范围为0.1-0.3 mol/l；

18、进一步地，步骤一中，所述bifeo3前驱液的摩尔浓度为0.2 mol/l。

19、进一步地，步骤二中，所述旋涂具体为先以800-1200 rpm/min的转速低速旋涂5s，再以4000-8000 rpm/min的转速高速旋涂30s，重复此旋涂操作6-12次；

20、进一步地，步骤二中，所述旋涂具体为先以1000 rpm/min的转速低速旋涂5s，再以5000 rpm/min的转速高速旋涂30s，重复此旋涂操作8次；低速旋涂的目的是使前驱液在基底表面均匀分散，高速旋涂的目的是使得前驱液厚度减薄，从而制备出纳米级厚度的薄膜。

21、进一步地，步骤二中，所述退火处理具体为在马弗炉中500-650 ℃高温处理1-4小时；

22、进一步地，步骤二中，所述退火处理具体为在马弗炉中600 ℃高温处理2小时；该过程可以促进材料的光生载流子的产生和分离。

23、进一步地，步骤二中，所述导电基底可以是fto导电玻璃、ito导电玻璃、azo导电玻璃等。

24、有益效果：本发明制备的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，以结合溶胶凝胶法以及旋涂法制备的铁电材料bifeo3薄膜光电极为基础，通过水热法生长二维硫化物二硫化锡（sns2），从而制备出bifeo3@sns2复合光电极，在能够实现铁电薄膜/二维硫化物的有效的集成制备的基础上，该过程中所涉及的方法简单、设备成本较低，有利于规模化的工业生产应用。

25、本发明中，bifeo3和sns2都是可见光吸收材料，将两者复合，不仅能够保证对光的利用效率，增强吸收可见光，而且两个材料之间良好的能带匹配性，能够促进光生载流子的分离和传输，从而实现光电转换效率的提升。

技术特征：

1. 一种铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤三中，所述四氯化锡的称取量范围为14 -280 mg；所述硫代乙酰胺的称取量范围为15 -300 mg ；

3. 根据权利要求1所述的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤三中，所述无水乙醇溶液的体积为30 ml。

4.根据权利要求1所述的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤三中，所述保温处理具体为120-160℃下保温处理8-12小时。

5.根据权利要求1所述的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤三中，所述洗涤具体为用去离子水和无水乙醇分别洗涤多次。

6.根据权利要求1所述的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤一中，所述柠檬酸、硝酸铋及硝酸铁中金属离子的摩尔比为2：1：1。

7. 根据权利要求1所述的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤一中，所述bifeo3前驱液的摩尔浓度范围为0.1-0.3 mol/l。

8. 根据权利要求1所述的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤二中，所述旋涂具体为先以800-1200 rpm/min的转速低速旋涂5s，再以4000-8000 rpm/min的转速高速旋涂30s，重复此旋涂操作6-12次。

9. 根据权利要求1所述的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤二中，所述退火处理具体为在马弗炉中500-650 ℃高温处理1-4小时。

10.根据权利要求1所述的铁电薄膜bifeo3@sns2复合光电极，其特征在于，步骤二中，所述导电基底也可以是fto导电玻璃、ito导电玻璃、azo导电玻璃等。

技术总结
本发明涉及纳米复合材料合成技术领域，公开了一种铁电薄膜BiFeO<subgt;3</subgt;@SnS<subgt;2</subgt;复合光电极的制备方法，其步骤包括：步骤一、溶胶‑凝胶法配制BiFeO<subgt;3</subgt;前驱液；步骤二、旋涂法制备BiFeO<subgt;3</subgt;光电极薄膜；步骤三、水热法原位生长SnS<subgt;2</subgt;材料，制备BiFeO<subgt;3</subgt;@SnS<subgt;2</subgt;复合光电极。本发明以结合溶胶凝胶法以及旋涂法制备的铁电材料BiFeO<subgt;3</subgt;薄膜光电极为基础，通过水热法生长二维硫化物二硫化锡（SnS<subgt;2</subgt;），从而制备出BiFeO<subgt;3</subgt;@SnS<subgt;2</subgt;复合光电极，不仅能够保证对光的利用效率，而且能够促进光生载流子的分离和传输。

技术研发人员：南峰,周雷,邱新智,李忠文,刘昊
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12