[发明专利]一种氧化铁、氧化石墨烯和N、F共掺杂的可见光响应电极及其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化材料技术领域，具体涉及一种氧化铁、氧化石墨烯共掺杂的可见光响应电极及其制备方法及应用。

背景技术

人类面临环境污染的同时，也面临能源短缺的问题。一方面，环境污染，尤其是水污染，日趋加剧，严重威胁人类的健康和生活。其中，含重金属废水，毒性大，微生物难以降解，更难以处理。另一方面，随着光催技术的发展，利用光催化剂分解水制备氢气，有望缓解能源危机问题。

纳米管二氧化钛膜是近年来发展的新型二氧化钛纳米材料，其在还原重金属离子Cr(VI)方面有良好的效果。但由于禁带宽度宽，只能利用占太阳光总能量较少的紫外光区，通过在TiO₂中掺杂恰当的元素，使其禁带窄化，吸收波长较长的光，从而可以利用更多的可见光。例如，公开号为CN 103523826A的中国发明申请公开了一种锡掺杂二氧化钛的制备方法，方法如下：将酞酸丁酯与结晶四氯化锡加入到无水乙醇中，加入乙二醇，再依次加入浓盐酸和去离子水，加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌，得到稳定透明的黄色溶胶，将黄色溶胶转移至聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜内反应，自然冷却至室温，用无水乙醇和蒸馏水洗涤，过滤，收集白色沉淀，将白色沉淀烘干，研磨，封装，即得锡掺杂二氧化钛。

公开号为CN 103908962A的中国发明申请公开了一种银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺及设备，工艺包括银掺杂二氧化钛纳米水溶液的制备的步骤和纳米二氧化钛气凝胶涂层的制备的步骤；设备包括用于存储银掺杂二氧化钛纳米水溶液的液态原料罐，与液态原料罐连接的喷枪，喷枪具有喷嘴，用于传送基材的传输部件及烘干基材上喷涂的银掺杂二氧化钛纳米水溶液层的烘箱。

双元素共掺杂时，进一步加强其可见光响应，光催化活性明显提高。 例如公开号为CN104258837A的中国发明申请公开了一种碳-硅共掺杂纳米二氧化钛的制备方法，以钛酸四丁酯为钛源，烷基三乙氧基硅烷同时作为碳源和硅源，利用烷基三乙氧基硅烷与钛酸四丁酯共水解缩聚制备硅掺杂的二氧化钛前驱体，利用烷基三乙氧基硅烷中的硅-烷基键(如Si-CH₃)来调控二氧化钛晶粒生长，利用硅-烷基键引入碳源，在后续的焙烧过程原位引入碳，进而制备得到碳-硅共掺杂的纳米二氧化钛。

发明内容

本发明提供了一种氧化铁、氧化石墨烯和N、F共掺杂的可见光响应电极及其制备方法及应用，光电催化电极的制备方法简单，氧化铁、氧化石墨烯共掺杂后光生电子和空穴分离效果好，光电流高，通过光电协同作用处理含铬废水，效果好，无二次污染，可多次使用。

一种氧化铁、氧化石墨烯和N、F共掺杂的可见光响应电极的其制备方法，包括如下步骤：

(1)将TiO₂-NTs电极与NH₄F固体混合后置于马弗炉中，在空气氛围下煅烧2～3个小时，冷却后洗涤表面杂质，风干后得NF-TiO₂电极；

(2)将所述NF-TiO₂电极浸泡于已超声处理的Fe(NO₃)₃溶液中；

(3)以石墨电极为阳极、铂片为阴极、Na₂SO₄溶液为电解液，加电压使石墨溶解，控制溶解时间，得不同浓度的石墨烯电解液； 

(4)将步骤(2)中浸泡处理后的NF-TiO₂电极风干作阴极、石墨电极作阳极，在(3)所得石墨烯电解液中进行数次电沉积；

(5)以步骤(4)处理后的电极为阳极、石墨为阴极、KOH溶液为电解液进行电沉积处理，洗净风干后即得氧化铁、氧化石墨烯和N、F共掺杂的可见光响应电极。

氧化铁、氧化石墨烯和N、F共掺杂的可见光响应电极记为Fe₂O₃-GO/NF-TiO₂电极。

步骤(1)中所述TiO₂-NTs电极的制备方法如下：

将纯Ti片用砂纸打磨至表面无痕，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗10min，以Ti片为阳极，Cu片为阴极，于0.5wt％NaF和0.5mol/L Na₂SO₄混合溶液，加以20V恒定电压，阳极氧化5h，将制得的样品洗净，风干，即得TiO₂-NTs电极。