[发明专利]一种基于BiFeO3铁电效应的高性能光电化分解水光阳极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于BiFeO₃铁电效应的高性能光电化分解水光阳极及其制备方法。本发明以FTO为衬底制备TiO₂薄膜，BiFeO₃薄膜复合于TiO₂薄膜之上；通过施加正反向电压来对BiFeO₃薄膜进行铁电极化，将TiO₂的半导体性能和BiFeO₃的铁电特性相结合。本发明实现了复合光阳极对可见光的响应能力，提高了光阳极的光电化学性能。通过对BiFeO₃薄膜本身的铁电效应来改变其内建电场，从而有效的调控界面的能带结构，以期有效对载流子进行分离，从而提高光阳极的光电化学性能。结构简单，易于规模生产，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于清洁可再生新能源利用技术领域，涉及一种基于BiFeO₃铁电效应的高性能光电化分解水光阳极及其制备方法。

背景技术

在当前能源与环境问题日益突出的大背景下，寻找清洁可持续的新能源替代传统化石能源正受到人们越来越多的关注。太阳能作为取之不尽同时又是生态学上纯净的和不改变地球上燃料平衡的能源，只要能以10％效率转化0.1％到达地球表面的太阳能，即可满足全球的能源需求。因此，太阳能是未来人类社会构建低碳经济时代最理想的能源，开发高效的太阳能利用方式也成为当前科学家的重大研究课题。光电化学分解水技术是在电场辅助下的光电化学分解水，光电催化氧化还原反应发生在不同的电极上，能够减少光生电子空穴对的复合几率，进而提升了能量转换效率，同时，光电化学分解水技术具有对环境零污染等特点，因而受到越来越广泛的研究和应用，是最具前景的太阳能转化利用方法之一，也被认为是解决能源短缺和环境污染问题最理想的途径之一。

为获得高效的光电化学分解水过程，实现光阳极材料吸收光谱波段的最大化和界面处载流子分离和传输能耗的最小化尤为关键。但实际的研究表明，开发一个在这两个要素上均有显著提高的光电化学光阳极十分困难。目前的光阳极材料主要分为两大类：窄带隙的半导体(硅，III-V族化合物等)和宽带隙的金属氧化物(TiO₂，ZnO等)。窄带隙半导体因光腐蚀和光钝化导致其稳定性能较差。宽带隙的金属氧化物电极，尤其是TiO₂，因其成本低廉且具有出色的光电化学稳定性及多样的形貌结构受到了广泛的研究。不过，由于TiO₂材料本身带宽较大，对太阳能吸光波段较小，使得光电转化效率较低(当带宽大于3.0eV，光电转化效率小于2％)。

本专利提供了一种既能拓宽TiO₂的吸光范围，又能提高载流子的分离传输效率的方法。铁酸铋(BiFeO₃)属于多铁材料的一种，禁带宽度约为2.12eV，可以吸收可见光。同时，由于Bi离子具有孤对电子，因而，BiFeO₃还有好的铁电极化性能，其自发极化值为100μC/cm²。本专利正是利用BiFeO₃的可见光响应和铁电极化性能来拓宽TiO₂的吸光范围，提高载流子的分离传输效率。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于BiFeO₃铁电效应的高性能光电化分解水光阳极及其制备方法。