钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极及其制备方法和应用

本发明属于光电催化材料，具体地，涉及钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、太阳能作为一种“零碳能源”有望解决人类社会发展面临的能源与环境问题,而如何将太阳能转化为可被人类利用且易于储存的燃料是其中的关键挑战。光电化学(photoelectrochemic al,pec)分解水作为“第三代太阳能技术”在近年来受到全球广泛关注。因此，设计和制备环境友好、高活性、低成本和高稳定性的可持续性光电极材料，并将其应用于pec分解水制氢领域，具有重要的科学意义、应用价值和社会效益。钒酸铋(bivo4)是金属氧化物半导体中最有前途的光阳极材料之一。钒酸铋具有廉价易得、无毒、可见光吸收、合适能带结构、较高光电催化活性和稳定性等优点。但是其光生电子-空穴对的快速复合、水氧化动力差以及光腐蚀等问题限制了其光电催化活性和稳定性。

2、提高光电催化剂的光电性能和稳定性是推动光电催化裂解水析氢的关键。现有研究中主要思路大多基于增加对可见光的吸收效率、设计缓冲层与钝化层、与其他半导体形成异质结等改性方法开发光电催化剂，但上述改性方法制备的光电催化剂其光电性能和稳定性均未得到较大改善。

3、如中国专利申请公布号为cn110791777a，申请日为2019年05月09日，发明名称为“氧化钨/钒酸铋异质结光电阳极的制备方法及自供电光电解水系统”，公开的方法利用水浴法制备在氟掺杂氧化锡导电玻璃上获得氧化钨薄膜；利用电化学沉积法在形成有氧化钨薄膜的氟掺杂氧化锡导电玻璃上沉积钒酸铋薄膜，从而获得氧化钨/钒酸铋异质结光电阳极。该方案制备的光电催化材料采用异质结结构，制备过程繁琐。

4、现有技术中还有采用前驱体溶液的制备方式，如中国专利申请公布号为cn110791777a，申请日为2019年10月29日，发明名称为“一种富含表层氧空位的钒酸铋电极及其制备方法和应用”，公开的电极包括导电衬底层和钒酸铋层，钒酸铋层由光刻蚀改性得到；先采用金属有机物分解的方法在导电衬底上生长出钒酸铋颗粒，之后将其浸没在含有亚硫酸盐的碱性缓冲溶液中，同时施加一定时间和一定波长及强度的光照，即完成整个电极的制备；该电极可组装成光电化学池用于光电化学池光解水制氢。该方案存在以下不足：采用前驱体溶液，大面积成膜不均匀；制备过程中需使用光刻蚀，制造成本较高，且难以均一控制；制备工艺污染物较多，对环境不友好。

技术实现思路

1、1、要解决的问题

2、针对现有技术中钒酸铋光电催化材料制作过程繁琐、大面积成膜不均匀、掺杂困难的技术问题，本申请提供钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，可进行大规模商业生产，且可进行原位掺杂。本申请还提供了钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极及其应用，表现出较高的光电催化性能、较高的光活性面积、较高的电荷分离效率和快速且稳定的瞬态光电流响应，可用于水分解光电化学领域。

3、2、技术方案

4、为达到上述目的，提供的技术方案为：

5、本发明的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，包括以下步骤：

6、在导电基底上制备金属铋层，制备方法为物理气相沉积磁控溅射，得到含铋导电基底；

7、将所述含铋导电基底浸泡于含钒源的溶液后，吹干，得到含钒导电基底；

8、高温氧化工艺处理所述含钒导电基底，得到钒酸铋纳米材料；

9、化学刻蚀工艺处理所述钒酸铋纳米材料，得到所述钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极。

10、进一步，所述物理气相沉积磁控溅射的工艺参数为：温度20～50℃，气压0.5～1.5pa，功率为70～90w。

11、进一步，所述含钒源的溶液为乙酰丙酮氧钒溶于二甲基亚砜，所述乙酰丙酮氧钒的浓度为0.2mol/l；所述浸泡的工艺参数为：10～15℃水浴，时间为30～150s。

12、进一步，所述高温氧化工艺参数为管式炉高温退火，升温速率为2～3℃/min，退火温度为400～500℃，退火时间为1～4h，退火氛围为空气，自然冷却降温。

13、进一步，所述化学刻蚀工艺参数为1mol/l氢氧化钠溶液，10～15℃水浴，时间为20～30min。

14、进一步，所述金属铋层的厚度为3～5微米。

15、进一步，所述导电基底为fto玻璃。

16、钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极，使用所述的方法制备得到。

17、进一步，利用xrd衍射检测时，所述钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极中钒酸铋的011、121、040晶面的射角2θ分别为20.1°、28.98°、30.56°。

18、钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的应用，将所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极应用于水分解光电化学。

19、3、有益效果

20、采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：

21、(1)本发明的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，首先采用物理气相沉积磁控溅射的方法在导电基底上制备金属铋层作为制备钒酸铋的铋源，然后用化学溶液浸泡法，将沉积铋层的导电基底浸泡在溶有钒源溶液中，获得制备钒酸铋的钒源，再后用管式炉高温退火得到钒酸铋纳米材料，最后用化学溶液刻蚀掉钒酸铋纳米材料表面多余的五氧化二钒获得纯净的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极。可进行大规模商业生产，且可进行原位掺杂。

22、(2)本发明的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极，表现出较高的光电催化性能、较高的光活性面积、较高的电荷分离效率和快速且稳定的瞬态光电流响应。

23、(3)本发明的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的应用，在1.23v vs rhe偏压下，钒酸铋光电阳极的光电流随为1.8ma cm-2。

技术特征：

1.钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，其特征在于：所述物理气相沉积磁控溅射的工艺参数为：温度20～50℃，气压0.5～1.5pa，功率为70～90w。

3.根据权利要求2所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，其特征在于：所述含钒源的溶液为乙酰丙酮氧钒溶于二甲基亚砜，所述乙酰丙酮氧钒的浓度为0.2mol/l；所述浸泡的工艺参数为：10～15℃水浴，时间为30～150s。

4.根据权利要求3所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，其特征在于：所述高温氧化工艺参数为管式炉高温退火，升温速率为2～3℃/min，退火温度为400～500℃，退火时间为1～4h，退火氛围为空气，自然冷却降温。

5.根据权利要求4所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，其特征在于：所述化学刻蚀工艺参数为1mol/l氢氧化钠溶液，10～15℃水浴，时间为20～30min。

6.根据权利要求1-5任一项所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，其特征在于：所述金属铋层的厚度为3～5微米。

7.根据权利要求6所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的制备方法，其特征在于：所述导电基底为fto玻璃。

8.钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极，其特征在于：使用权利要求1-7任一项所述的方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极，其特征在于：利用xrd衍射检测时，所述钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极中钒酸铋的011、121、040晶面的射角2θ分别为20.1°、28.98°、30.56°。

10.钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极的应用，其特征在于：将权利要求8或9所述的钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极应用于水分解光电化学。

技术总结本发明属于光电催化材料技术领域，涉及钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极及其制备方法和应用。针对现有技术中钒酸铋光电催化材料制作过程繁琐、大面积成膜不均匀、掺杂困难的技术问题，本申请提供的方法，首先用磁控溅射法在导电基底上制备金属铋层作为制备钒酸铋的铋源，再用化学溶液浸泡法获得制备钒酸铋的钒源，随后用高温氧化法制得钒酸铋纳米材料，最后用化学溶液刻蚀掉钒酸铋纳米材料表面的五氧化二钒，此种制备方法可进行大规模商业生产，且可进行原位掺杂。本申请还提供了钒酸铋纳米阵列型光电催化阳极及其应用，表现出较高的光电催化性能、较高的光活性面积、较高的电荷分离效率和快速且稳定的瞬态光电流响应，可用于水分解光电化学领域。技术研发人员：王玲玲,王如意,张子龙,武子康,方文郡受保护的技术使用者：安徽工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18