[发明专利]一种钛磷共掺杂氧化铁光电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种钛磷共掺杂氧化铁光电极及其制备方法，属于纳米材料领域。该方法包括如下步骤：清洗FTO导电玻璃，将钛的无机盐和磷酸均匀分散到去离子水中，配置得到前驱体溶液；将清洗后的FTO导电玻璃置入盛有所述前驱体溶液的反应釜中，在95‑105℃下反应3‑5h，制备得到钛磷共修饰的FTO导电玻璃；将所述钛磷共修饰的FTO导电玻璃置入盛有铁的无机盐和矿化剂水溶液的反应釜中，在90‑100℃下反应3‑5h；取出反应后的所述钛磷共修饰的FTO导电玻璃，在500‑600℃下退火1‑3h，再在700‑800℃下退火10‑30min，制备得到钛磷共掺杂氧化铁光电极。本发明的方案可以将金属和非金属共掺杂到α‑Fe₂O₃中，并由此极大提高其光解水性能。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，特别是涉及一种钛磷共掺杂氧化铁光电极及其制备方法。

背景技术

能源危机与环境污染问题正在成为制约人类社会可持续发展的关键问题，开发利用清洁能源势在必行。在众多的清洁能源中，氢能是一种应用潜力巨大的能源，其具有很高的燃烧值，而且氢气燃烧后的产物不会带来任何环境污染的问题，是替代传统化石能源的理想能源之一。然而，目前氢气的大规模获取主要来自于煤、石油与天然气的重整，这种产氢方式虽然工艺成熟但成本高昂、污染环境，因而寻求绿色、经济、环保的产氢方法势在必行。与此同时，因为具有清洁无污染、分布广泛、取之不尽和用之不竭的优点，太阳能越来越受到人们的重视并开始在现有的能源结构中扮演重要的角色。因此，以半导体纳米材料为催化剂，以太阳能为能量来源的光电催化分解水产氢技术将是未来人类大规模获取氢能的最佳途径之一。

在众多半导体光解水材料中，α相三氧化二铁(α-Fe₂O₃)由于廉价、无毒、稳定性好、在地球上储量丰富，使其成为一种非常有前途的可见光光催化剂。理论预测表明α-Fe₂O₃的光电转换效率高达16.8％，在1.23V(Vs.RHE)时具有高达12.6mA/cm²的光电流密度。但在实际研究当中，由于α-Fe₂O₃自身的导电性很差、光生载流子的寿命短(10-12s)、光生空穴传输距离短(2-4nm)且光生电子-空穴对极易复合、表面产氧动力学反应慢等原因，使得α-Fe₂O₃的实际光电流密度远远低于其理论值。因此，若要使α-Fe₂O₃具有实用价值，对其进行修饰和改性势在必行。

元素掺杂、形貌控制和表面处理是常用的修饰和改性的方法。尤其是元素掺杂的方式极大提高了α-Fe₂O₃的导电性，进而提高了α-Fe₂O₃的光解水性能。目前，已经被成功掺杂到α-Fe₂O₃中的金属元素有钛(Ti)、锡(Sn)、铂(Pt)、锆(Zr)和锰(Mn)等，非金属元素有硅(Si)和磷(P)。在制备元素掺杂α-Fe₂O₃的过程中，大多数采用以下两种方式：第一种方式是将元素的前躯体加到α-Fe₂O₃的表面，然后通过加热的方式使元素扩散到α-Fe₂O₃的体相；第二种方式是在制备α-Fe₂O₃的过程中加入元素的前躯体。然而，上述两种方式制备出的元素掺杂α-Fe₂O₃光解水性能仍然不是非常高，因此，α-Fe₂O₃光电催化分解水的相关研究也尚处于实验室研究阶段。

发明内容