一种Fe2O3光阳极的高温气相ZnCl2处理方法

本发明涉及光电电极材料制备，特别是一种fe2o3光阳极的高温气相zncl2处理方法。

背景技术：

1、近年来环境污染和能源危机是困扰人类发展的世界性问题。因此，开发清洁、可再生的能源是一个迫切需要解决的问题。在许多新能源战略中，氢气被大家公认为最理想的新能源。它不仅热值高，无毒无污染，原材料还可持续，那么如何高效低能耗的生产氢气是世界各国共同关注的研究领域。地球上太阳能资源丰富，远远超过人类社会的能源消耗总和。利用太阳能和电能协同耦合分解水产氢被认为是最具竞争力的氢气制备方法。众所周知，水分解反应是由分解水产氢和产氧两个半反应组成的，其中产氧半反应面临着更严峻的动力学问题，是全解水反应的控速步骤。α-fe2o3是一类典型光阳极材料，其空穴氧化能力强、环境友好、化学性质稳定，因此备受人们关注。但是fe2o3光阳极的载流子极易复合、表面态密度高、电极/电解液界面的析氧动力学差，故催化水分解反应需要较高的活化能，所需施加的过电位较高，并且产生的光电流密度较低，由此导致光电分解水产氢存在高能耗的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是要改善现有技术中制备的fe2o3光阳极光电流密度较低，表面态密度较高导致的载流子严重复合，提供一种fe2o3光阳极的高温气相zncl2处理方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、一种fe2o3光阳极的高温气相zncl2处理方法，包括以下步骤：

4、(1)取硝酸铁、三氯化铁、乙酸铁中的一种配制成0.05～0.15摩尔的水溶液；取硝酸钠配制成浓度为1摩尔/升的水溶液；

5、(2)取四氯化钛、钛酸四丁酯、三异丙醇钛中的一种0.1～0.5毫升，加入10～50毫升有机溶剂，搅拌混合均匀后得到混合溶液a；

6、(3)从步骤(2)中取出20～300微升混合溶液，加入步骤(1)中的溶液并搅拌10～40分钟后得到混合溶液b；

7、(4)将裁减好的fto片子放入水中超声波清洗10～30分钟，再放入乙醇中超声波清洗10～30分钟，再放入丙酮溶剂中超声波清洗10～30分钟，最后用高纯氮气或氩气吹干清洗后的fto片子；

8、(5)从步骤(3)中取20～40毫升混合溶液b，加入到50毫升的聚四氟乙烯带不锈钢衬底的反应釜中，再将步骤(4)中清洗好的fto片子放入上述的反应釜中，其中fto片子的导电面朝下斜靠反应釜壁以30～60度放置；

9、(6)将步骤(5)的反应釜转移到电热鼓风干燥箱中，使反应温度控制在90～110摄氏度，反应时间3～6小时，当反应完毕反应釜温度降至室温后取出得到ti:feooh光阳极，用去离子水冲洗多次，然后放入50～80摄氏度电热鼓风干燥箱中干燥8～12小时；

10、(7)将步骤(6)制备的ti:feooh光阳极在500～800摄氏度高温炉中煅烧1～5小时得到ti:fe2o3光阳极，记为未处理的光阳极；

11、(8)将经过步骤(7)中制备的ti:fe2o3光阳极再放在盛有zncl2的耐高温器皿中，ti:fe2o3光阳极距离zncl2的上方1-4厘米，光阳极的导电面向下。接着在空气、氩气氧气混合气、氧气中的一种气氛下350～450摄氏度煅烧0.5～2小时，等降到室温后取出得到zn:fe2o3光阳极。

12、作为对上述技术方案的改进，所述步骤(3)中的有机溶剂为乙醇或甲醇。

13、作为对上述技术方案的改进，所述步骤(6)中的ti:feooh光阳极是由水热反应得到的，反应温度为90～110摄氏度。

14、作为对上述技术方案的改进，所述步骤(8)中的zncl2受热升华与fe2o3光阳极发生反应，气相zncl2与fe2o3纳米棒发生阳离子交换，zn原子梯度掺入fe2o3表面。

15、经上海辰华生产的chi760e电化学工作站和北京中教金源生产的300瓦氙灯测试，采用三电极体系(铂丝电极作为对电极；饱和银/氯化银电极作为参比电极；已制备好的ti:fe2o3光阳极作为工作电极)，本发明的ti:fe2o3光阳极经过本发明的高温气相zncl2处理工艺后，在1.23v vs.rhe电压下的光电流密度为3.02ma/cm2，而未经处理的ti:fe2o3在1.23vvs.rhe电压下的光电流密度为1.41ma/cm2，光电流密度提高超过了2倍。

16、本发明可以使光电催化分解水的效率大大提高，由于较低的过电位使得能源的消耗更少，进一步满足了工业化的要求，为可持续生产氢能源解决了反应动力学问题。

技术特征：

1.一种fe2o3光阳极的高温气相zncl2处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的fe2o3光阳极的高温气相zncl2处理方法，其特征在于：所述步骤(2)中的有机溶剂为乙醇或甲醇。

3.根据权利要求1所述的fe2o3光阳极的高温气相zncl2处理方法，其特征在于：所述步骤(6)中的ti:feooh光阳极是由水热反应得到的，反应温度为90～110摄氏度。

4.根据权利要求1所述的fe2o3光阳极的高温气相zncl2处理方法，其特征在于：所述步骤(8)中的zncl2受热升华与fe2o3光阳极发生反应，气相zncl2与fe2o3纳米棒发生阳离子交换，zn原子梯度掺入fe2o3表面。

技术总结本发明公开了一种Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;光阳极的高温气相ZnCl<subgt;2</subgt;处理方法。由三价铁盐、硝酸钠、钛掺杂剂，采用FTO导电玻璃作为载体的水热环境中制备得到Ti:Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;光阳极(记为Ti:Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;)，然后采用本发明所述的高温氯盐处理方法处理Ti:Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;光阳极(记为Zn:Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;)，经过光电测试表明本发明制备的光阳极经过本发明的处理工艺后，在1.23V vs.RHE电压下的光电流密度为3.02mA/cm<supgt;2</supgt;，而未经处理的Ti:Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;在1.23V vs.RHE电压下的光电流密度为1.41mA/cm<supgt;2</supgt;，光电流密度提高超过了2倍。ZnCl<subgt;2</subgt;的加热升温速率快、具备溶解金属氧化物的特点，高温下易于产生白烟。因此，采用ZnCl<subgt;2</subgt;作为反应物，在高温气相下可与Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;光阳极发生发应，使Zn原子梯度掺杂进Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;表面。因此本发明制备的光阳极及其处理方法是一种具有实现低能耗高效分解水的先进技术手段之一，其制备方法简便，原料易得，具有很好的工业应用前景。技术研发人员：易莎莎,王海潮,张雪,李伟霞,岳新政受保护的技术使用者：郑州大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2