一种p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极及制备方法

本发明涉及纳米复合材料合成，特别涉及一种p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极及制备方法。

背景技术：

1、半导体光电化学能够将太阳能转换清洁的电能或者氢能等，能够有效地解决目前全球所面对的能源短缺和环境污染等问题。最早的半导体光电化学器件是由二氧化钛（tio2，n型半导体）单晶光电极和铂（pt）对电极等组成，但是tio2只能吸收紫外光，对整个太阳能光谱范围内的45%的可见光无法响应，这直接限制了其在光电化学领域的实际开发和利用。有鉴于此，人们迫切地希望开发具有可见光响应的半导体光电极材料。目前，铁电材料铁酸铋（bifeo3）作为光电极的在光电化学领域的使用已经获得较为有效地开发。在光电化学器件中，bifeo3多表现出p型半导体特性，一般作为光电阴极使用。有相关研究表明，将p-型半导体bifeo3材料与其他材料进行复合，制备复合材料时，能够通过两者之间的能带匹配性能，改善光生载流子的分离效率和传输性能。但是在其应用方面主要面对如何实现低成本制备和高效率转换这两方面的考虑。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极及制备方法，采用溶胶凝胶法结合高温煅烧等过程制备具有光电阴极响应性能的bifeo3粉末光电极为基础，并通过滴涂浸渍将具有n型半导体特性的tio2生长于bifeo3粉末光电极材料表面，制备了p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极，实现复合光电阴极的光电化学性能的提升。

2、技术方案：本发明提供了一种p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

3、s1. 通过溶胶凝胶法制备bifeo3粉体材料

4、配置bifeo3前驱体溶液，并将所述bifeo3前驱体溶液烘干、研磨、退火处理；再将退火处理后的bifeo3材料和去离子水混合，得bifeo3水溶液；然后将所述bifeo3水溶液超声、搅拌，重复多次，去除沉淀，烘干，得bifeo3粉体材料；

5、上述去除沉淀，即去除大颗粒的bifeo3粉末，该大颗粒粉末不利于后续刮涂法制备光电极；

6、s2. 通过刮涂及煅烧法制备bifeo3光电阴极

7、取bifeo3粉体材料与乙醇混合、研磨，得浆体材料；接着将浆体材料刮涂在四周附着了聚酰亚胺胶带的fto导电玻璃的表面，刮涂好后，将聚酰亚胺胶带撕开，接着进行煅烧处理，得bifeo3光电阴极；

8、上述煅烧处理不仅能够增强fto导电玻璃基底与bifeo3粉末材料之间的附着力，而且能够对材料的光生载流子的产生和分离起到正向作用。

9、s3. 通过滴涂浸渍法制备p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极

10、配置tio2胶体前驱体溶液，并将所述tio2胶体前驱体溶液滴涂在bifeo3光电阴极表面，退火处理，得p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极。在重力作用下，tio2胶体前驱液会浸滞没入bifeo3粉末光电极中的孔隙之中，而附着于bifeo3粉末材料的表面。通过退火处理，使tio2前驱体中有机溶剂得到完全挥发，并能使tio2材料结晶。

11、进一步地，s3中，所述tio2胶体前驱体溶液的体积为5-30 ul。

12、进一步地，s1中，配置bifeo3前驱体溶液的具体方法为：取硝酸铋、硝酸铁和柠檬酸溶于有机溶液中，搅拌，得bifeo3前驱体溶液。硝酸铋和硝酸铁分别作为bi源和fe源材料，而柠檬酸作为螯合剂，可以促进bi与fe离子的聚拢，有利于bifeo3前驱体的形成。

13、进一步地，所述硝酸铋、硝酸铁和柠檬酸的摩尔比为1∶1∶2。

14、进一步地，s3中，所述配置tio2胶体前驱体溶液的具体方法为：将盐酸、去离子水及无水乙醇混合，接着将钛酸四丁酯逐滴滴入，搅拌，得tio2胶体前驱体溶液。

15、进一步地，所述盐酸、去离子水、无水乙醇及钛酸四丁酯的体积比为4∶2∶10∶2-8。

16、进一步地，s1中，所述退火的具体条件为：退火温度为500-600℃，退火时间为2-3h，退火气氛为空气。过高的退火温度容易产生杂相，过低的退火温度又会导致bifeo3结晶性能较低，会降低电极的光电化学性能。该退火过程主要有两个目的，一是为了促进bifeo3材料的结晶，二是为了进一步去除bifeo3干凝胶中残余的有机杂质。

17、进一步地，s2中，所述聚酰亚胺胶带的厚度为25-100 μm。通过设置聚酰亚胺胶带的厚度，可以控制制备的bifeo3粉末光电极的厚度。

18、进一步地，s2中，所述煅烧处理的具体条件为：煅烧温度为450-550℃，煅烧时间为2-3 h。

19、进一步地，s3中，所述退火处理的具体条件为：退火温度为400-500℃，退火时间为2-3 h，退火气氛为空气。

20、有益效果：和现有技术相比，本发明具有如下具体优势：

21、本发明制备的p-n结型铁酸铋@二氧化钛电极的光电流数值为负，属于光电阴极响应，该复合光电阴极制备过程中涉及的设备成本较低、制备方法比较简单，有利于低成本规模化的光电化学器件的开发利用；

22、bifeo3和tio2材料能够形成p-n结，不仅拥有良好的能带匹配性能，而且形成的p-n结之间还存有由于载流子分布不平衡而产生的内建电场，而这两种机制都能够促进光生载流子的分离和传输，协同增强光电化学性能，实现复合光电阴极的光电化学性能的增强。

技术特征：

1. 一种p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：s3中，所述tio2胶体前驱体溶液的体积为5-30 ul。

3.根据权利要求1所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：s1中，配置bifeo3前驱体溶液的具体方法为：取硝酸铋、硝酸铁和柠檬酸溶于有机溶液中，搅拌，得bifeo3前驱体溶液。

4.根据权利要求3所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：所述硝酸铋、硝酸铁和柠檬酸的摩尔比为1∶1∶2。

5.根据权利要求1所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：s3中，所述配置tio2胶体前驱体溶液的具体方法为：将盐酸、去离子水及无水乙醇混合，接着将钛酸四丁酯逐滴滴入，搅拌，得tio2胶体前驱体溶液。

6.根据权利要求5所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：所述盐酸、去离子水、无水乙醇及钛酸四丁酯的体积比为4∶2∶10∶2-8。

7. 根据权利要求1所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：s1中，所述退火的具体条件为：退火温度为500-600℃，退火时间为2-3 h，退火气氛为空气。

8. 根据权利要求1所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：s2中，所述聚酰亚胺胶带的厚度为25-100 μm。

9. 根据权利要求1所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：s2中，所述煅烧处理的具体条件为：煅烧温度为450-550℃，煅烧时间为2-3 h。

10. 根据权利要求1所述的p-n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极的制备方法，其特征在于：s3中，所述退火处理的具体条件为：退火温度为400-500℃，退火时间为2-3 h，退火气氛为空气。

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p‑n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极及制备方法，采用溶胶凝胶法结合高温煅烧等过程制备具有光电阴极响应性能的BiFeO<subgt;3</subgt;粉末光电极为基础，并通过滴涂浸渍将具有n型半导体特性的TiO<subgt;2</subgt;生长于BiFeO<subgt;3</subgt;粉末光电极材料表面，制备了p‑n结型铁酸铋@二氧化钛光电阴极。本发明能够实现两种材料之间良好的能带匹配性和形成的p‑n结内建电场协同增强BiFeO<subgt;3</subgt;材料光电化学性能的目的，且该光电极涉及的制备方法简单，设备成本低，适用于规模化生产。技术研发人员：邱新智,南峰,周雷,陈宋涛,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：2024/4/22