[发明专利]三氧化钨复合光电极及其制备方法、和在光电催化分解水中的应用

说明书

技术领域

本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种三氧化钨复合光电极及其制备方法、和在光电催化分解水中的应用。

背景技术

利用半导体光电催化技术将太阳能通过水分解转化为氢能，并以氢气这种化学能的形式存储然后利用，是解决目前能源危机最有希望的方式之一。1972年，Fujishima首次报道TiO₂光电极可以利用太阳能分解水[A.Fujishima,K.Honda,Nature,1972,238(5358):37-38，从此拉开了光电化学分解水的序幕。1976年，Honda首次将WO₃作为光阳极用于光电催化分解水[G.Hodes,D.Cahen,J.Manassen,Nature,1976,260:312-313]，从而引起了研究者的广泛关注。

三氧化钨(WO₃)是一种n型间接带隙半导体，禁带宽度为2.5～2.8eV，理论吸收边带为430～500nm，具有独特的光电化学性质。因其禁带宽度比较窄、空穴所在的价带电位比较高(+3.10～3.20V vs.NHE)，是一种非常具有应用前景的氧化物半导体催化剂。此外，它还具有无毒、在酸性溶液中稳定性强、自然界矿产资源丰富、成本低等优点。因此，WO₃在太阳能转换、光催化降解、电致变色等领域得到了广泛的研究。但WO₃也存在光生电子-空穴易复合、电化学析氧反应慢等不足，限制了其应用。目前文献报道的提高其光电催化活性的方法主要包括构筑纳米结构、碳材料修饰(碳点、石墨烯等)、半导体耦合、掺杂和修饰助催化剂等，其中助催化剂主要作用在于降低反应的过电位，促进电子的转移，阻止电子-空穴的复合，从而提高材料的光电催化效率。但是用于修饰WO₃的助催化剂种类有限，主要包括Co-Pi，FeOOH和NiFe LDH等。研究表明在碱性环境中，Ni掺杂FeOOH(Ni:FeOOH)在电催化氧析出反应方面展现了比NiOOH和FeOOH更高的催化活性[Y.Liang,Y.Yu,Y.Huang,et al.,J.Mater.Chem.A,2017,5,13336-13340]。最近，郑晓琳课题组利用水热合成了Ni:FeOOH[L.Cai,J.Zhao,H.Li,et al.,ACS Energy Lett.,2016,1,624-632]，并将其应用于修饰WO₃/BiVO₄光电极，有效提高了其光电催化活性，验证了Ni:FeOOH促进光电催化分解水反应的可行性。因此，构筑Ni:FeOOH修饰WO₃复合光电极有望增加光生电荷的分离和转移，进而促界面析氧反应，最终提高光电催化活性。

石墨烯具有比表面积大(2630m²g^-1)，电荷载流子迁移率高(200000cm²V^-1s^-1)和电阻率低(10^-6Ωcm)且化学稳定性好等优势，在电催化和光电催化等领域得到广泛应用。研究表明在电催化领域，石墨烯可以提高电催化剂(助催化剂)的导电性和比表面积，从而提高催化剂的电催化OER和HER活性。在光电催化领域，石墨烯修饰半导体光电极，不仅有助于提高材料的导电性，而且对光的吸收也有贡献，在提高光电极的光电催化活性方面也有广泛研究。但是目前将石墨烯与助催化剂结合共修饰半导体以提高其光电催化活性的研究较少，Jae Sung Lee课题组报道了RGO与NiFe LDH混合后再修饰Fe₂O₃光电极可以有效提高光电催化活性后[D.Youn,Y.Park,J.Kim,et al.,J.Power Sources,2015,294,437-443]。最近，卫敏课题组将RGO/NiFe LDH结合用于TiO₂光电极的修饰并取得到了良好的效果[F.Ning,M.Shao,S.Xu,et al.,Energy Environ.Sci.,2016,9,2633-2643]。然而将RGO与Ni:FeOOH共修饰WO₃用于光电催化分解水的研究目前还没有报道。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了三氧化钨复合光电极，通过还原石墨烯和镍铁羟基氧化物共修饰三氧化钨光电极，来提高电荷转移效率。

本发明还提供了三氧化钨复合光电极的制备方法，以及三氧化钨复合光电极在光电催化分解水中的应用。