铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光电催化，尤其是涉及铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着化石能源的大量使用，化石能源燃烧产生的污染日益严重，寻找清洁能源迫在眉睫。氢气是一种无污染可再生的清洁能源，其燃烧产生的水完全无污染并且可以回收利用。太阳能能够为人类提供足够的能量，如果能够更加有效的利用太阳能，将会减少对化石能源的需求。光电催化分解水制氢是一种利用太阳能和光催化剂直接将水分解为氢气和氧气的技术，这种技术极大地利用了太阳能产生无污染的氢气能源，具有良好的应用前景。

2、光电催化分解水是在太阳光和光电极催化剂的共同作用下将水分解为氢气和氧气。在这个过程中，通常采用n型半导体材料作为光阳极，铂片作为光阴极；当光电极受到太阳光激发，n型半导体材料产生空穴和电子参与到水的氧化还原反应中，分别在光阳极与空穴复合产生氧气，在光阴极与转移的电子结合产生氢气。

3、为了实现高效的太阳能制氢，选择合适的光电极材料是最关键的因素，高性能的光电极材料应符合下列条件：(1)对太阳光的吸收率大；(2)光化学稳定性高；(3)当受到太阳光激发时可以有效地产生并传输电子和空穴，减少电子空穴的复合；(4)有合适的禁带宽度和位置，理论上要求光电极材料的禁带宽度必须大于水的电解电压1.23ev；(5)产生光电流时所需要的负载电压低；(6)成本较低。具有纳米结构的n型半导体材料由于其比表面积大、禁带带隙能量可调、载体收集路径短和电荷转移效率高等特性，被证实具有可观的光电催化分解水的应用前景。

4、氧化铁是一种n型半导体材料，由于其光吸收范围宽、稳定性好、廉价无毒等优点，得到了研究学者的广泛关注。但是，氧化铁的导电性差，光生载流子寿命短，导致光生空穴的扩散距离短，光电流密度降低；另外，氧化铁表面存在大量的表面态，电荷表面复合严重，使表面水氧化反应变得迟钝，降低了其光电转化效率。

5、因此，提供一种可以提高铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的光电流密度和光电转化效率的方法和应用是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极及其制备方法和应用。

2、为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：

3、铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极及其制备方法和应用，包括：导电基底和生长在所述导电基底表面的改性氧化铁纳米棒阵列；所述改性氧化铁纳米棒阵列中的改性氧化铁纳米棒包括氧化铁纳米棒和包覆在所述氧化铁纳米棒表面的铜锌锡硫化物层。

4、优选的，所述氧化铁纳米棒的直径为100-150nm，长度为500-700nm。

5、优选的，所述铜锌锡硫化物层的质量为0.00000439-0.0000395g/cm2。

6、优选的，铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤一：将所述铜锌锡硫化物粉末按照1-2mmo l/l的浓度溶于水中，配置铜锌锡硫化物溶液；

8、步骤二：将水溶性铁盐、水溶性钠盐、酸性试剂和水混合，得到水热溶液；

9、步骤三：将所述导电基底置于所述水热溶液中进行水热反应，得到生长有前驱体的导电基底；

10、步骤四：将所述生长有前驱体的导电基底进行第一煅烧，得到生长有氧化铁纳米棒阵列的导电基底；

11、步骤五：将所述生长有氧化铁纳米棒阵列的导电基底表面上滴加铜锌锡硫化物溶液，经第二煅烧后得到光电阳极。

12、优选的，所述水溶性铁盐包括六水氯化铁；所述水溶性钠盐包括硝酸钠；所述酸性试剂的浓度为36-38％；所述水溶性铁盐和水溶性钠盐的质量比为2.02725：4.2495-6g；所述水溶性铁盐和酸性试剂的用量比为2.02725g：0.2-0.4ml；所述水热溶液中水溶性铁盐的浓度为0.15-0.25mo l/l；所述水热反应的温度为90-110℃，升温至所述水热反应温度的升温速率为1-3℃/min，保温时间为5-6h。

13、优选的，所述第一煅烧的温度为500-700℃，升温至所述第一煅烧温度的升温速率为1-3℃/min，保温时间为2-3h。

14、优选的，所述铜锌锡硫化物溶液中的铜锌锡硫化物的浓度为0.001-0.003mo l/l；所述滴加量为0.00001-0.00003l。

15、优选的，所述铜锌锡硫化物粉末的制备方法为：将二水氯化亚铜、二水醋酸锌、二水氯化锡和硫脲加入到乙醇和水质量比为1：1-2的溶液中；其中，二水氯化亚铜的浓度为7-9mmo l/l，二水醋酸锌的浓度为3-5mmo l/l，二水氯化锡的浓度为3-5mmo l/l，硫脲的浓度为30-34mmo l/l；将所述溶液超声分散30-60min得到悬浮液，将所述悬浮液放置于水热釜中，以1-5℃/min的升温速率升温到180-220℃，维持20-28h，水热结束后取出溶液，离心并洗涤，最后将离心洗涤后得到的产物置于n2气氛下，以1-5℃/min的升温速率升温到350-450℃，并在350-450℃维持2-3h，最后自然降温得到铜锌锡硫化物粉末。

16、优选的，所述第二煅烧的温度为350-450℃，升温至所述第二煅烧温度的升温速率为1-5℃/min，保温时间为2-2.5h.

17、优选的，所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法方法制备得到的光电阳极在光电催化水分解中的应用。

18、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

19、本发明采用的铜锌锡硫化物层能够和氧化铁形成高效的异质结，从而实现氧化铁在表面和界面上的高效电荷分离，使得光电阳极表现出良好的光吸收性能，提高了光电阳极的光电流密度和光电转化效率。

技术特征：

1.铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极，其特征在于，包括：导电基底和生长在所述导电基底表面的改性氧化铁纳米棒阵列；所述改性氧化铁纳米棒阵列中的改性氧化铁纳米棒包括氧化铁纳米棒和包覆在所述氧化铁纳米棒表面的铜锌锡硫化物层。

2.根据权利要求1所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极，其特征在于，所述氧化铁纳米棒的直径为100-150nm，长度为500-700nm。

3.根据权利要求1所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极，其特征在于，所述铜锌锡硫化物层的质量为0.00000439-0.0000395g/cm2。

4.权利要求1-3任一项所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法，其特征在于，所述水溶性铁盐包括六水氯化铁；所述水溶性钠盐包括硝酸钠；所述酸性试剂的浓度为36-38％；所述水溶性铁盐和水溶性钠盐的质量比为2.02725：4.2495-6g；所述水溶性铁盐和酸性试剂的用量比为2.02725g：0.2-0.4ml；所述水热溶液中水溶性铁盐的浓度为0.15-0.25mol/l；所述水热反应的温度为90-110℃，升温至所述水热反应温度的升温速率为1-3℃/min，保温时间为5-6h。

6.根据权利要求4所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法，其特征在于，所述第一煅烧的温度为500-700℃，升温至所述第一煅烧温度的升温速率为1-3℃/min，保温时间为2-3h。

7.根据权利要求4所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法，其特征在于，所述铜锌锡硫化物溶液中的铜锌锡硫化物的浓度为0.001-0.003mol/l；所述滴加量为0.00001-0.00003l。

8.根据权利要求4所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法，其特征在于，所述铜锌锡硫化物粉末的制备方法为：将二水氯化亚铜、二水醋酸锌、二水氯化锡和硫脲加入到乙醇和水质量比为1：1-2的溶液中；其中，二水氯化亚铜的浓度为7-9mmo l/l，二水醋酸锌的浓度为3-5mmo l/l，二水氯化锡的浓度为3-5mmol/l，硫脲的浓度为30-34mmol/l；将所述溶液超声分散30-60min得到悬浮液，将所述悬浮液放置于水热釜中，以1-5℃/min的升温速率升温到180-220℃，维持20-28h，水热结束后取出溶液，离心并洗涤，最后将离心洗涤后得到的产物置于n2气氛下，以1-5℃/min的升温速率升温到350-450℃，并在350-450℃维持2-3h，最后自然降温得到铜锌锡硫化物粉末。

9.根据权利要求4所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法，其特征在于，所述第二煅烧的温度为350-450℃，升温至所述第二煅烧温度的升温速率为1-5℃/min，保温时间为2-2.5h。

10.权利要求1-3任一项所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极或权利要求4-9任一项所述的铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极的制备方法方法制备得到的光电阳极在光电催化水分解中的应用。

技术总结
本发明公开了铜锌锡硫化物掺杂氧化铁光电阳极及其制备方法和应用，包括：导电基底和生长在所述导电基底表面的改性氧化铁纳米棒阵列；所述改性氧化铁纳米棒阵列中的改性氧化铁纳米棒包括氧化铁纳米棒和包覆在所述氧化铁纳米棒表面的铜锌锡硫化物层。本发明采用铜锌锡硫化物对氧化铁纳米棒进行包覆，使得光电阳极表现出良好的光吸收性能，促进了光生载流子的分离，提高了光电阳极的光电流密度和光电转化效率。

技术研发人员：陈燕鑫,纪铭豪,卢灿忠
受保护的技术使用者：厦门稀土材料研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15