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一种八面体形貌的铜铁氧材料及其制备方法与应用

  • 国知局
  • 2024-06-20 12:45:37

本发明属于光电催化材料,具体涉及一种八面体形貌的铜铁氧材料及其制备方法与应用。

背景技术:

1、随着全球能源消耗量的增加,石油、煤炭、天然气等化石燃料已经不能满足人类长期发展的需求,因此必须加快开发和利用可再生、无污染的绿色新能源的步伐。太阳能是迄今为止最大的可再生能源来源,然而现今社会并没有直接将太阳能储存起来并利用的技术,但可以将其转化为其他可储存的能源,目前以储氢为主,光电催化技术是一种能将太阳能直接转换成氢能,并储存起来的技术。cufeo2是一种p型半导体,可用作光电催化领域的电极材料,成本低廉,资源丰富;同时它还是一种宽光谱吸收材料,其吸收边覆盖了紫外到红外区域,是一种很有前途的光电转换吸收材料,在铜基氧化物中受到了较多的关注。cufeo2的制备方法有溶胶-凝胶法、固相法、水热法等,其中,溶胶-凝胶法多用于制备铜铁氧薄膜材料,获得的产物结晶性差、杂质多,常伴随cuo、fe2o3、cu2o、cufe2o4等副产物;固相法通常需要500℃以上的烧结温度,耗能大,且产物结晶度低,杂质多,导致无法进行准确的物理化学表征和研究;水热法制备条件温和,工艺参数易控制,结晶性好,但大多数合成产物形貌为六角片状、立方块状,形貌单一,合成方法创新性不足。另外,大多数用于光电催化领域的铜铁氧光阴极材料,其光电催化性能较差,电流密度低。

技术实现思路

1、为解决上述全部或部分技术问题,本发明提供以下技术方案:

2、本发明的目的之一在于提供一种八面体形貌的铜铁氧材料,所述铜铁氧材料的化学式为cufeo2,所述铜铁氧材料为八面体颗粒,它的晶体结构为铜铁矿结构,斜方3r()构型,晶胞参数为:a=3.0351å,b=3.0351å,c=17.166å。

3、在部分实施例中,所述铜铁氧材料的粒径为2~5 μm。

4、在部分实施例中,所述铜铁氧材料的纯度大于或等于95%。

5、在部分实施例中,所述铜铁氧材料的结晶度大于或等于60%。

6、本发明的目的之二在于提供一种八面体铜铁氧材料的制备方法,包括:使含有二价铜源、三价铁源、表面活性剂、螯合剂、还原剂和碱的混合反应体系在140~200℃进行水热反应,得到八面体形貌的铜铁氧材料,其中,所述螯合剂包括葡萄糖酸钠,所述还原剂包括正丙醛。

7、所述制备方法利用葡萄糖酸钠作为螯合剂制备得到的铜铁氧材料具有八面体形貌,并且所述铜铁氧材料具有高纯度和高结晶性特征,带隙宽度为1.28ev,在400-800nm可见光区域有较强的光吸收能力,在加牺牲剂h2o2时,0.6 vrhe下对应光电流密度3.6 ma cm-2,大于大多数铜铁氧文献数值,展现了优异的光电催化性能。

8、在部分实施例中,所述制备方法具体包括:

9、将二价铜源、三价铁源、表面活性剂均匀分散于溶剂中,然后加入含有葡萄糖酸钠溶液的螯合剂,得到前驱体溶液;

10、将所述前驱体溶液与碱均匀混合,得到悬浮液;

11、将所述悬浮液与所述还原剂均匀混合得到混合反应体系,然后进行所述的水热反应。

12、申请人发现,将葡萄糖酸钠配制成溶液的形式加入混合反应体系能够形成八面体形貌更为显著的颗粒。

13、在部分实施例中,所述葡萄糖酸钠溶液的浓度为2.5 ~ 10 mmol/l。

14、在部分实施例中,所述葡萄糖酸钠溶液的加入量使混合反应体系中葡萄糖酸钠、铜、铁的摩尔比范围为:2.5×10-3:1:1~1×10-2:1:1。若葡萄糖酸钠的加入量过低或者过高,均会影响八面体形貌的形成,导致结晶度降低,进而影响光电催化性能。

15、在部分实施例中,所述制备方法具体包括:将碱浓度为碱浓度为0.125~0.5g/ml的碱性溶液分批加入到所述前驱体溶液中,加入速度为1.5 ~ 3ml/min,同时维持搅拌,得到所述悬浮液。高浓度的碱加入到前驱体溶液中会大量放热,会影响晶核的形成与生长,所以需要分批加入(例如采用滴加的形式),得到悬浮液后需要搅拌至均匀状态才能将还原剂加入体系。

16、在部分实施例中,所述混合反应体系中正丙醛的体积与二价铜源和三价铁源的总物质的量之比为20:1 ~ 50:1。

17、在部分实施例中,所述混合反应体系中铜元素、铁元素、表面活性剂的摩尔比为1:1:1~1:1:4。

18、在部分实施例中,所述二价铜源包括硝酸铜、硫酸铜、氯化铜中的一种或者多种的组合。

19、在部分实施例中,所述三价铁源包括硝酸铁、氯化铁中的一种或多种的组合。

20、在部分实施例中,所述表面活性剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、油酸钠、月桂酸钠中的一种或多种的组合。表面活性剂的加入能够更好地分散颗粒,防止团聚现象,有利于结晶。

21、在部分实施例中,所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或者多种的组合。

22、在部分实施例中,所述水热反应采用的溶剂为混合溶剂,包括体积比为1:4 ~ 1:12的水和乙醇。采用水和乙醇混合溶剂作为水热反应溶剂的有益效果在于提高悬浮液的溶解度,有利于晶核生长。

23、在部分实施例中,所述水热反应的时间为20~48 h。

24、在部分实施例中,所述水热反应结束后,对反应获得的铜铁氧材料进行后处理,所述后处理包括采用水、硝酸、乙醇中的一种或者多种对所述铜铁氧材料进行清洗,然后去除水。例如,对反应获得物进行离心清洗处理,分别用去离子水、10%稀硝酸、无水乙醇反复清洗三次,在60~100℃下干燥12~18 h。

25、本发明的目的之三在于提供上述任一项技术方案提供的制备方法得到的八面体形貌的铜铁氧材料。

26、本发明的目的之四在于提供上述任一项技术方案中的八面体形貌的铜铁氧材料在光电催化中的应用。

27、本发明的目的之五在于提供一种光阴极,所述光阴极包括上述任一项技术方案中的八面体形貌的铜铁氧材料。

28、采用三电极系统对所述光阴极的光电催化性能进行检测,其在ph6.5的电解液(电解液组成为0.2 mol/l k2hpo4 + 0.2 mol/l kh2po4 + 1.2% h2o2)、led单色光(波长455nm,光强为63 mw cm-2)为光源、施加0.5~1vrhe的偏压条件下,光电流密度为0.5~5 ma cm-2。

29、与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:

30、(1)本发明提供的制备方法首次采用葡萄糖酸钠作为螯合剂制备得到八面体形貌的铜铁氧颗粒,其具有高纯度、高结晶性特征,并且展现了良好的光电催化性能;

31、(2)进一步的,本发明通过加入表面活性剂,调控水醇比以及反应体系中碱的量,与葡萄糖酸钠协同调控铜铁氧的八面体形貌,获得具有优异光电催化性能的铜铁氧颗粒;

32、(3)本发明提供的制备方法操作简单、可重复性强、产率较高,反应条件温和。

技术特征:

1.一种八面体形貌的铜铁氧材料,所述铜铁氧材料的化学式为cufeo2,其特征在于:所述铜铁氧材料为八面体颗粒,它的晶体结构为铜铁矿结构,斜方3r构型,晶胞参数为:a=3.0351å,b=3.0351å,c=17.166å。

2.根据权利要求1所述的八面体形貌的铜铁氧材料,其特征在于:所述铜铁氧材料的粒径为2~5 μm;

3.一种八面体形貌的铜铁氧材料的制备方法,其特征在于,包括:使含有二价铜源、三价铁源、表面活性剂、螯合剂、还原剂和碱的混合反应体系在140~200℃进行水热反应,得到八面体形貌的铜铁氧材料;其中,所述螯合剂包括葡萄糖酸钠,所述还原剂包括正丙醛。

4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,具体包括:

5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:将碱浓度为0.125~0.5g/ml的碱性溶液分批加入到所述前驱体溶液中,加入速度为1.5 ~ 3ml/min,同时维持搅拌,得到所述悬浮液。

6.根据权利要求3或4所述的制备方法,其特征在于:所述混合反应体系中正丙醛的体积与二价铜源和三价铁源的总物质的量之比为20:1 ~ 50:1;

7.根据权利要求3或4所述的制备方法,其特征在于:所述水热反应采用的溶剂为混合溶剂,包括体积比为1:4 ~ 1:12的水和乙醇;

8.根据权利要求3-6任一项所述的制备方法得到的八面体形貌的铜铁氧材料。

9.权利要求1、2、7任一项所述的八面体形貌的铜铁氧材料在光电催化中的应用。

10.一种光阴极,其特征在于,包括权利要求1、2、7任一项所述的八面体形貌的铜铁氧材料。

技术总结本发明提供一种八面体形貌的铜铁氧材料及其制备方法与应用。所述铜铁氧材料为八面体颗粒,它的晶体结构为铜铁矿结构,斜方3R构型,晶胞参数为:a=3.0351Å,b=3.0351Å,c=17.166Å。通过所述制备方法得到的铜铁氧材料展现典型的八面体形貌特征,并且纯度、结晶度较高,具有优异的光电催化性能。技术研发人员:况永波,任晓培受保护的技术使用者:中国科学院宁波材料技术与工程研究所技术研发日:技术公布日:2024/5/27

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