一种高性能TiO2/FeS光电极薄膜的制备方法和应用

本发明属于光电化学，具体涉及一种高性能高性能tio2/fes光电极薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、受化石燃料储量的下降以及二氧化碳和其他温室气体释放的影响，加剧了全球的变暖，推动了对清洁和可持续能源需求的不断增长，也促使人们探索降低碳足迹的替代方法。不可避免的太阳能是目前地球上最大的能源，但其分散和间歇性的性质仍然是能源需求的一个巨大挑战。

2、由于二氧化钛的天然高稳定性、无毒、丰富和强氧化能力，使得tio2的光电催化性能具有明显的优势。tio2存在锐钛矿(eg＝3.2ev)、金红石(eg＝3ev)和板钛矿三种主要相。理论上，tio2在1.23v(vs.rhe)下的理论光电流为12.6ma/cm2，可以实现15.5％的高太阳能-氢气转换效率。然而纯tio2的光催化效率仍然相当小，由于其禁带宽度大，在紫外光照射下更容易激发，光生电子空穴对(e/h～)的复合速率高，并且稳定性差。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的不足，本发明提出一种高性能异质结tio2/fes光电极薄膜的制备方法及应用。该方法具有制备方法简单、操作方便，实验条件易控制等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高性能tio2/fes光电极薄膜的制备方法，包括如下步骤：

3、1)将钛酸四丁酯和氨基磺酸溶于去离子水与盐酸混合溶液中，搅拌10-30min，获得前驱体溶液；将前驱体溶液和fto导电玻璃放在水热釜中，通过水热反应，在fto导电玻璃上生长前驱体tio2，得到前驱体tio2光电极薄膜；将前驱体tio2光电极薄膜在空气条件下进行煅烧，得到tio2光电极薄膜；

4、2)将tio2光电极薄膜浸渍于阴离子表面活性剂中，通过静电作用将阴离子表面活性剂吸附在tio2光电极薄膜上；

5、3)将铁盐、硫脲和聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水中，搅拌，获得混合溶液；

6、4)将步骤2)所得吸附有阴离子表面活性剂的tio2光电极薄膜和步骤3)所得混合溶液转移至反应釜中，水热反应后，用去离子冲洗，烘干，得到tio2/fes光电极薄膜。

7、优选的，上述的制备方法，步骤1)中，按摩尔比，钛酸四丁酯:氨基磺酸＝3805-3806:1。

8、优选的，上述的制备方法，步骤1)中，按体积比，去离子水:盐酸＝1:1。

9、优选的，上述的制备方法，步骤1)中，所述水热反应是，160-180℃下水热反应2-10h。

10、优选的，上述的制备方法，步骤1)中，所述煅烧是，350-550℃下煅烧2-4h，升温速度为1-10℃/min。

11、优选的，上述的制备方法，步骤2)中，所述阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠。

12、更优选的，上述的制备方法，十二烷基硫酸钠的浓度为0.01mol/l。

13、优选的，上述的制备方法，步骤2)中，将tio2光电极薄膜浸渍于阴离子表面活性剂中，浸渍时间为1h。

14、优选的，上述的制备方法，步骤3)中，所述铁盐为fecl3·6h2o；fecl3·6h2o、硫脲和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2.13：1：4.2。

15、优选的，上述的制备方法，步骤4)中，所述水热反应是，150-160℃下水热反应3.5h。

16、本发明提供的高性能tio2/fes光电极薄膜在光电化学水分解中应用。

17、本发明的有益效果是：

18、1、本发明提供的tio2/fes光电极薄膜，为p-n异质结结构，该异质结结构更容易使光生电子-空穴有效分离，降低复合率，可以有效的提高光电化学性能及分解水能力。

19、2、本发明提供的tio2/fes光电极薄膜，制备方法原料廉价易得，操作简单方便，为水分解提供新的催化材料，缓解当下能源紧张的局势，有很好的应用前景。

20、3、本发明提供的tio2/fes光电极薄膜，在可见光下的产氢速率是tio2的3.93倍左右。

21、4、本发明采用硫化亚铁纳米线在tio2薄膜上的外延生长，构建外延异质结并形成界面化学键，克服了异质结界面缺陷导致的载流子分离和输运效率较差的问题。p-n异质结的形成可以产生内部电场，为调节电荷转移提供静电力从而加快载流子的传输。改善光阳极表面缺陷过多和载流子传输缓慢的问题。嵌入的p-n异质结形成一个有效的内置电场，通过提高极化子跳跃加速载流子在tio2中的传输。

22、5、本发明提供的tio2/fes光电极薄膜，fes提高了tio2电子空穴的传输效率，其中fes是p型半导体，将fes负载到tio2薄膜上使其形成p-n结，从而提高tio2薄膜性能。tio2/fes光电极薄膜是具有开发前景的光电化学分解水的材料。

技术特征：

1.一种高性能tio2/fes光电极薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，按摩尔比，钛酸四丁酯:氨基磺酸＝3805-3806:1；按体积比，去离子水:盐酸＝1:1。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述水热反应是，160-180℃下水热反应2-10h。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述煅烧是，350-550℃下煅烧2-4h，升温速度为1-10℃/min。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，十二烷基硫酸钠的浓度为0.01mol/l。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，将tio2光电极薄膜浸渍于阴离子表面活性剂中，浸渍时间为1h。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述铁盐为fecl3·6h2o，

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述水热反应是，150-160℃下水热反应0.5-4h。

10.按照权利要求1-9任一项所述的方法制备的高性能tio2/fes光电极薄膜在光电化学水分解中应用。

技术总结
本发明公开一种高性能TiO<subgt;2</subgt;/FeS光电极薄膜的制备方法和应用。将TiO<subgt;2</subgt;光电极薄膜浸渍于阴离子表面活性剂中，通过静电作用将阴离子表面活性剂吸附在TiO<subgt;2</subgt;光电极薄膜上；将铁盐、硫脲和聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水中，搅拌，获得混合溶液与吸附有阴离子表面活性剂的TiO<subgt;2</subgt;光电极薄膜转移至反应釜中，水热反应后，用去离子冲洗，烘干，得到TiO<subgt;2</subgt;/FeS光电极薄膜。当在TiO<subgt;2</subgt;薄膜负载p型FeS材料后，与TiO<subgt;2</subgt;形成p‑n结，建立内建电场加快载流子的分离与传输，这有效地抑制了TiO<subgt;2</subgt;/FeS内部的电荷复合并加速了表面水氧化动力学。这项工作可能会启发合理设计的高性能的光阳极可行的太阳能转换。

技术研发人员：范晓星,刘大博,江姗姗
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25