一种基于PEDOT:PSS修饰的氮化钽光电极的制备方法

一种基于pedot:pss修饰的氮化钽光电极的制备方法
技术领域
1.本发明属于光电催化光电极制备技术领域，具体涉及一种基于pedot:pss修饰的氮化钽光电极的制备方法，pedot:pss是导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸。


背景技术：

2.ta3n5具有合适的带隙，带隙为2.1ev能够吸收大部分的太阳辐射光谱，可吸收波长小于600nm的太阳光谱，具有合适的能带位置，其导带高于水的还原电位，价带低于水的氧化电位，可以实现光催化水分解。在众多光电极半导体材料中，ta3n5是最有希望实现实际生产应用所需10％的sth转换效率。ta3n5主要由氧化物ta2o5前驱体氧化物高温氮化制备所得，导致ta3n5材料中存在大量的孔隙，导致表相和体相复合比较严重，以及形成缺陷态抑制光电催化性能。
3.为解决上述问题，研究人员通过引入了作为空穴传输层(例如铁水化合物fh、gan涂层等)ta3n5光电极进行表面覆盖处理，pec水分解性能与稳定性都得到了一定的改善。但是在大多数情况下，涂敷空穴传输层之后，会遮挡和限制可见光的吸收，导致ta3n5光电极的起始电位都高于0.8v
rhe
，在低电位下的光电流普遍较低而且长时间光电化学稳定性也较差。因此需要探寻一种新型空穴传输层与ta3n5光电极相结合的方法以提升光电催化分解水性能。


技术实现要素：

4.针对上述存在问题或不足，为解决现有引入空穴传输层的ta3n5光电极存在可见光吸收较差、且存在抑制ta3n5光电极体相和表相缺陷的问题，本发明提供了一种基于pedot:pss修饰的氮化钽光电极的制备方法。
5.一种基于pedot:pss修饰的氮化钽光电极的制备方法，包括以下步骤：
6.步骤1、清洗金属基底。
7.步骤2、采用双源电子束沉积法制备厚度为100-700nm的钽基氧化物前驱体薄膜。
8.步骤3、将步骤2中制备好的钽基氧化物前驱体薄膜装入石英舟中并密封于高温管式炉中，在nh3气氛中以1-20k/min的速度升温至1074-1474k，在1074-1474k下保温6-40h，随后以1-20k/min的速度降温至室温，制备得ta3n5薄膜。
9.步骤4、采用两步旋涂法使用pedot:pss溶液对步骤3中制备的ta3n5薄膜进行表面修饰，pedot:pss溶液为≤3wt％的水溶液。
10.步骤5、在真空退火装置中374-474k温度下对步骤4中表面涂敷pedot:pss的ta3n5薄膜进行0.5-5h退火处理，使pedot:pss更好附着在ta3n5薄膜上，得到pedot:pss/ta3n5薄膜。
11.步骤6、在步骤5所得pedot:pss/ta3n5薄膜的金属基底面焊接导电线，并使用凝固胶将焊接点与金属基底面封装覆盖，形成欧姆接触，即得pedot:pss/ta3n5光电极。
12.pedot:pss是一种导电聚合物，具有良好的成膜特性、高电导率、高透光率、优异的热稳定性和易溶解等特点。目前主要作为可拉伸导电材料，应用于柔性装置以及可拉伸器件中，例如可穿戴和可植入设备等；或热电材料、静电涂料；或作为透明导电电极，应用于有机发光二极管、有机显示器等。
13.本发明利用双源电子束沉积法和高温氮化法直接在金属基底上制备ta3n5薄膜，并通过两步旋涂法和真空退火法首次使用pedot：pss表面修饰ta3n5薄膜，得到包覆均匀的pedot:pss/ta3n5薄膜；使用pedot：pss表面修饰后的ta3n5薄膜并未改变ta3n5薄膜的晶体结构，且作为空穴传输层将ta3n5薄膜表面处的空穴更好地转移到电解质中参与水的氧化反应。使用pedot：pss表面修饰后的ta3n5光电极比未表面修饰过的ta3n5光电极空穴提取能力明显提升，使得光电催化性能明显提升，长时间光电化学稳定性得到提高。
附图说明
14.图1为本发明制备工艺程图；
15.图2为两步旋涂法和真空高温退火过程薄膜变化示意图；
16.图3为实施例1中pedot:pss/ta3n5薄膜sem图像；
17.图4为实施例1、2、3中pedot:pss/ta3n5薄膜及ta3n5薄膜的xrd图谱；
18.图5为实施例1、2、3中pedot:pss/ta3n5薄膜及ta3n5薄膜的uv-vi s光谱；
19.图6为实施例1、2、3中pedot:pss/ta3n5光电极及ta3n5光电极的电流-电压曲线图；
20.图7为实施例1、2、3中pedot:pss/ta3n5光电极及ta3n5光电极的电流-时间曲线图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。需要注意的是，给出的实施例不能理解为对本发明的限制。相关技术人员依据本发明的内容对本发明进行的非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。
22.实施例1：
23.步骤1、将金属nb基底和石英玻璃基底按照精密洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇的顺序依次分别超声清洗15min，随后金属nb基底使用刻蚀液体(hf、hno3、h2o按照体积比1：2:7配制而成)刻蚀2min，以去除表面的氧化层，然后使用去离子水冲洗干净，并用高纯氮气枪将导电基底吹干。
24.步骤2、使用ta2o5为ta源放入双源电子束沉积系统的坩埚中，并将上述清洗干净的金属nb基底和石英玻璃基底放入电子束沉积系统的样品台中，待系统抽真空至5
×
10-6
torr，制备得厚度为600nm的ta2o5氧化物前驱体薄膜。
25.步骤3、将步骤2所得ta2o5氧化物前驱体薄膜装入石英舟中并密封于高温管式炉中，在nh3气氛中以10k/min的速度升温至1274k，在1274k下保温6h，随后以10k/min的速度降温至室温，制备得ta3n5薄膜。
26.步骤4、采用两步旋涂法使用pedot:pss溶液对ta3n5薄膜进行表面修饰，匀胶旋涂仪设置参数为第一步自旋速度为500rpm，时间持续5s，第二步自旋速度为4000rpm，时间持续60s。本实施例采用pedot:pssclevios ph1000，为3wt％的水溶液。
27.步骤5、完成旋涂后将步骤4所得样品放入真空退火装置中，在394k下真空环境中
退火1h，制备得pedot:pss/ta3n5薄膜。
28.步骤6、在步骤5所得pedot:pss/ta3n5薄膜的金属基底面使用焊接金属i n焊接导电铜线，并使用环氧树脂将焊接点与金属基底面封装覆盖，形成欧姆接触，即得pedot:pss/ta3n5光电极。
29.实例2：
30.同实例1，将pedot:pss溶液与去离子水按照体积比1：1进行稀释后得1/2体积比pedot:pss溶液，然后进行旋涂。
31.实例3：
32.同实例1，将pedot:pss溶液与去离子水按照体积比1：3进行稀释后得1/4体积比pedot:pss溶液，然后进行旋涂。
33.图2为两步旋涂法和真空高温退火过程薄膜变化示意图，图3为实施例1中pedot:pss/ta3n5薄膜sem图像。图2和图3表明利用两步旋涂法和真空高温退火可以使pedot:pss均匀地包覆在ta3n5薄膜上，并且能填充部分ta3n5薄膜中的孔隙，增强颗粒间电荷转移率。
34.图4为实施例1、2、3中pedot:pss/ta3n5薄膜及ta3n5薄膜的xrd图谱，表明与未使用pedot:pss进行表面修饰的ta3n5相比，使用pedot:pss对ta3n5薄膜进行表面修饰并不会改变ta3n5薄膜的晶体结构。
35.图5实施例1、2、3中pedot:pss/ta3n5薄膜及ta3n5薄膜的uv-vi s光谱，表明利用pedot:pss对ta3n5薄膜进行表面修饰后，ta3n5带隙缩小，吸收可见光范围变大。但在涂敷的未稀释的pedot:pss溶液时，会导致在ta3n5表面包覆太厚，会影响对光的吸收和利用。
36.图6和图7分别为对pedot:pss/ta3n5光电极进行线性伏安特性曲线和光电流稳定性测试结果；可见通过涂敷pedot:pss对ta3n5光电极进行表面修饰后，ta3n5的起始电位降低到0.6v
rhe
，表明通过调控表面修饰的pedot:pss溶液浓度适中的情况下，作为空穴传输层可以有效提升ta3n5光电极光电流密度。经过23h的长时间电流稳定性测试，pedot:pss表面修饰后的ta3n5光电极还可以维持起始光电流的90％。
37.通过以上实施例可见：本发明利用两步旋涂法和真空高温退火法使用pedot:pss对ta3n5光电极进行表面修饰，不会改变ta3n5的晶体结构。同时可以缩小能带带隙，扩宽可见光吸收范围。在pedot:pss溶液浓度适中的情况下，在ta3n5光电极表面涂敷后，不会遮挡和阻碍ta3n5光电极对可见光的吸收，从而提升ta3n5的空穴传输能力，有效地提升光电极光电催化能力和光电化学活性。