一种通过负载焦磷酸钴纳米片以提升金属氧化物光阳极光电化学性能的方法

本发明属于绿色能源，具体涉及一种通过焦磷酸钴纳米片负载于多种金属氧化物半导体光阳极，进而提高金属氧化物半导体光阳极材料光电化学性能的方法。所制备的复合金属氧化物半导体光阳极具有较好的光电化学性能，可应用于光电化学分解水以及光电化学传感器构建、光电催化降解有机污染物等领域。

背景技术：

1、开发清洁可再生的新能源来替代石油等化石能源，是实现我国“碳达峰、碳中和”目标的关键。光电化学(pec)分解水是利用一种或多种可见光响应半导体作为光电极催化分解水的技术，从而实现太阳能到氢能的转化。pec水分解包含在光阴极上的析氢反应和在光阳极上的析氧反应，而析氧反应更为困难，因此开发廉价、高效、稳定的光阳极是pec分解水技术的关键。最常见的半导体光阳极包括bivo4、tio2、wo3、α-fe2o3等金属氧化物，而影响金属氧化物光阳极太阳能-氢能转化效率的最主要问题是光生电子和空穴的快速复合以及缓慢的析氧反应动力学。

2、解决上述两个问题最简单、有效的方法之一是通过与其他材料复合制得复合光阳极。例如，通过负载优良的导体石墨烯，能有效抑制光阳极光生载流子的复合；而通过负载ruo2、iro2等助催化剂，能有效促进光阳极的析氧动力学。然而，上述材料因价格昂贵限制了它们的工业化推广。自从磷酸钴盐(co-pi)被发现可作为高效析氧催化剂后，钴基材料因其价格低廉、高效，被广泛用作金属氧化物光阳极的析氧反应助催化剂，例如co、coo、coox等。然而，上述钴基材料部分对反应的电解液有特殊要求，或者只对特定的某种金属氧化物光阳极有效果，而且它们与金属氧化物光阳极复合的合成工艺通常较复杂，不适宜大批量合成。

3、综上可知，研发一种对提高多种金属氧化物光阳极的光电化学性能具有普适性，且合成工艺简单、易大批量生产的钴基助催化剂及其制备方法，具有重要的科学意义和应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种通过负载焦磷酸钴纳米片以提升金属氧化物光阳极光电化学性能的方法，具有制备工艺简单、易大批量生产的优点，且该方法能显著提高多种金属氧化物光阳极的光电化学性能，具有较好的普适性。

2、本发明的技术方案如下：

3、(1)将含焦磷酸钠与乙酸钴的混合溶液进行水热，产物清洗后超声分散于乙醇中制得焦磷酸钴乙醇分散液；

4、(2)将步骤(1)得到的焦磷酸钴乙醇分散液通过旋涂仪均匀分散于bivo4、tio2、wo3、α-fe2o3等多种金属氧化物光阳极表面，最后置于管式炉中流通氩气煅烧。

5、进一步地，步骤(2)旋涂过程中滴加的焦磷酸钴乙醇分散液的量为每平方厘米光阳极基底上滴加25-75μl分散液。

6、进一步地，步骤(2)中，所述旋涂仪进行旋涂的转速为1000～3000r/min，持续时间为10～40s，过程重复四次。

7、进一步地，步骤(2)中，管式炉中氩气煅烧的升温速率为5℃/min，升温至250～350℃，保持时间为15～60min。

8、进一步地，步骤(1)中，所述的制备方法为：将20ml含1g焦磷酸钠与1g乙酸钴的水溶液充分搅拌均匀，置于烘箱中于140～180℃下水热4～12h，优选160℃下水热8h，产物用去离子水与乙醇反复清洗后，离心并干燥，最后通过超声直至其均匀分散于乙醇中。

9、进一步地，上述制备方法，焦磷酸钴的乙醇分散液浓度为0.5～1.5mg/ml。

10、本发明的有益效果在于：

11、(1)本发明开发的焦磷酸钴助催化剂，能显著提高bivo4、tio2、wo3、α-fe2o3等多种金属氧化物光阳极的光电化学性能，具有较好的普适性。

12、(2)本发明制得的负载了焦磷酸钴的金属氧化物光阳极，在弱碱性的硼酸钾溶液、强碱性的氢氧化钠溶液以及中性的硫酸钠溶液等多种电解液环境中，光电化学性能均得到显著提升，适用于较广泛的电解液环境。

13、(3)与现有技术相比，本发明的合成工艺简单，成本低，易于大批量合成。

技术特征：

1.一种通过焦磷酸钴纳米片以提升金属氧化物光阳极光电化学性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的制备方法为：将20ml含1g焦磷酸钠与1g乙酸钴的水溶液充分搅拌均匀，置于烘箱中，于140～180℃下水热4～12h，产物用去离子水与乙醇反复清洗后，离心并干燥，最后通过超声直至其均匀分散于乙醇中。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：焦磷酸钴的乙醇分散液浓度为0.5～1.5mg/ml。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)旋涂过程中滴加的乙醇分散液的量为每平方厘米光阳极基底上滴加25-75μl分散液。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述旋涂仪进行旋涂的转速为1000～3000r/min，持续时间为10～40s，过程重复四次。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，管式炉中氩气煅烧的升温速率为5℃/min，升温至250～350℃，保持时间为15～60min。

技术总结本发明提供一种通过负载焦磷酸钴(Co2P2O7)纳米片以提升金属氧化物半导体光电阳极光电化学性能的方法，步骤包括：(1)将含焦磷酸钠与乙酸钴的混合溶液进行水热，制得的焦磷酸钴清洗后超声分散于乙醇中；(2)将步骤(1)得到的焦磷酸钴乙醇分散液通过旋涂仪均匀分散于多种金属氧化物光阳极基底上，最后置于管式炉中流通氩气煅烧。本发明通过将Co2P2O7纳米片负载于金属氧化物光阳极表面，Co2P2O7的存在能迅速转移相界面处的光生电荷，抑制光生电子和空穴的复合；同时，其充当了光阳极表面水氧化反应的助催化剂进一步加快析氧反应速率。该方法经济、有效且简捷，方便大批量合成。技术研发人员：刘冀锴,文祥,张英杰,周谷雨受保护的技术使用者：湘潭大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29