[发明专利]一种提高Ti-Fe2O3薄膜电极光电化学活性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电催化分解水产氢技术领域，特别涉及一种电化学还原预处理方法来提高掺钛赤铁矿的光电化学活性。

背景技术

自从上世纪70年代初Fujishima和Honda发现TiO₂电极上光电化学分解水产氢以来,利用半导体光催化分解水制氢已成为普遍关注的研究方向.其基本原理如下:当用能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，其价带电子发生带间跃迁，产生电子和空穴,在热力学条件允许下,被迁移到半导体粒子表面的空穴与溶液中的电子供体水发生氧化反应，而电子与质子或水发生还原反应产生氢气。利用太阳能光解水制氢作为未来新能源途径之一，受到人们的高度重视。另外,半导体光催化技术应用范围也不断扩大，在降解环境污染物和光电转换等领域亦具有潜在诱人的前景.

经过科研工作者家多年的探索和积累，半导体光电催化分解水产氢技术的研究取得了巨大的进展.在众多的无机光催化材料如氧化锌、二氧化钛、赤铁矿和硫化物等当中，赤铁矿具有成本低廉，稳定性好和无毒等优点，特别是它的禁带宽度约为2.0-2.2eV,与太阳光的峰值接近，对可见光有较强的吸收，原理上可吸收40％的太阳光，是未来太阳能转化和利用方面比较理想的候选材料.但是,赤铁矿也存在导电性能差,光生电子-空穴对复合快和界面电荷转移慢的缺点.金属离子如钛掺杂可显著提高其光电化学活性,但是到目前为止,纯赤铁矿和掺钛赤铁矿太阳光分解水的效率还低于其理论最大值(12.9%),所以大力提高其效率对于实现太阳能分解水产氢等必将具有重要的应用价值.

电化学还原是从赤铁矿物提炼金属铁一种方法,但用于提高含钛赤铁矿光电化学活性未见文献报道.本发明的原理是:利用电化学还原掺钛赤铁矿时产生的磁铁矿(Fe₃O₄)和金属铁来提高薄膜电极的导电性、界面电荷转移速率和降低光生载流子的复合速率等来提高薄膜电极的光电化学活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种简便方法来大幅度地提高掺钛赤铁矿的光电化学活性。

本发明是通过下述技术方案得以实现的：

一种提高Ti-Fe₂O₃薄膜电极光电化学活性的方法,其特征在于包括下述步骤：

步骤1：依次用丙酮和乙醇在超声条件下清洗铟导电玻璃各15分钟，再用去离子超声清洗15分钟，最后用氮气吹干待用；

步骤2：以三氯化铁、钛酸酯为原料，加入乙醇、浓盐酸，配制成FeCl₃-钛酸酯胶体；其中胶体中的Ti:Fe的摩尔比为1：10～13；FeCl₃在乙醇中的摩尔浓度为60mM，其中浓盐酸的质量浓度为35%以上，浓盐酸用量与乙醇用量的体积比为0.10～0.15:200；发明人通过实验发现，在钛酸酯胶体中以一定量的铁、钛酷毙，其光电活性都比纯氧化铁有显著的提高。

步骤3：将ITO导电玻璃置于台式匀胶机上,在转速为600转/分的旋转状态下滴加FeCl₃-钛酸酯胶体于ITO导电玻璃上,旋转6秒后将其取出置入马弗炉中于350℃下煅烧5分钟,然后冷却置室温,完成一次涂膜；

步骤4：按步骤3相同的方式，再进行涂膜操作，连续进行8次；然后在550℃下煅烧4小时,自然冷却,并用铜导电胶连接导线；自然固化后得到粗品Ti-Fe₂O₃薄膜电极,待用；在本步骤中，发明人通过不同次数的对比，发现经过8次连续涂膜操作，可以得到最佳效果，这个也是其它现有技术中不曾公开过的。相应的煅烧温度、时间等都是发明人经过长期试验后得出的最佳效果。本步骤中的导线连接、除工作部分外,薄膜其余部分用706单组分硅橡胶封涂等技术为行业内一般技术人员所了解。

步骤5：将上述粗品Ti-Fe₂O₃薄膜电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1M的NaOH碱性电解液中、或0.5M Na₂SO₄的中性电解液中进行电化学还原处理，还原电位-1.2≤E<-0.6V,时间5-40分钟；即可得Ti-Fe₂O₃薄膜电极。结果表明,电化学还原处理大幅度地提高了薄膜电极的光电化学活性。

作为优选，上述步骤2的胶体中的Ti:Fe的摩尔比为1：10；浓盐酸用量与乙醇用量的体积比为0.13:200。

作为优选，上述步骤2中所用的钛酸酯为钛酸丁酯、钛酸丙酯、或钛酸异丙酯。