[发明专利]一种铑掺杂钛酸锶超薄纳米层覆盖的钒酸铋光阳极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铑掺杂钛酸锶超薄纳米层覆盖的钒酸铋光阳极及其制备方法和应用，采用电化学沉积的方式在FTO表面沉积BiOI前驱体；用0.2M的乙酰丙酮钒溶液进行交换，得到钒酸铋电极，多余的V₂O₅用NaOH溶液除去；BiVO₄‑Rh‑SrTiO₃光阳极的合成。本发明制备的铑掺杂钛酸锶超薄纳米层覆盖的钒酸铋光阳极进行了Rh掺杂之后的SrTiO₃与BiVO₄复合后，其光电化学性能有了明显的提升，且当Rh掺杂量为5％时光电化学性能最好，BiVO₄与Rh5％‑SrTiO₃之间形成的异质结的作用非常微弱，而是Rh5％‑SrTiO₃起到了很好的产氧助催化的作用，有效降低了电极与电解液接触界面的反应能垒，并且接触界面的反应活性位点增多，使得钒酸铋价带上的空穴能够有效地转移到电极表面与水发生氧化反应，光生电子空穴得到了有效的分离。

技术领域

本发明涉及光阳极材料制备技术领域，特别是一种铑掺杂钛酸锶超薄纳米层覆盖的钒酸铋光阳极及其制备方法和应用。

背景技术

太阳能是地球上含量最丰富、清洁并且是可再生的能源，但是现阶段而言，要实现太阳能的有效利用还是一个巨大的挑战。光电化学水分解技术不仅可以有效地捕获太阳能，还可以将太阳能以氢气、氧气的形式储存起来，被认为是一项非常有前景的技术。光电化学水分解可以分为两大步骤，一是还原过程生成氢气，另一个是氧化过程生成氧气。氢气生成的过程只需要两电子参与反应，而水氧化生成氧气的过程需要四电子参与并且反应过程中产生四种中间物质。多电子参与的反应往往会面临更多的反应动力学能垒问题。因此，在光电化学水分解的过程中水氧化生成氧气的半反应是整个反应的决定性步骤。

BiVO₄是一种n型半导体，其组成元素在地球上储量丰富。自从BiVO₄被首次报道作为一种光催水氧化材料之后，逐渐被应用于光电化学水分解的光阳极。并且被认为是非常有前景的光阳极，因为其在可见光区域有良好的光吸收性能(禁带宽度2.4eV)，并且价带位置at 2.4eV vs.NHE.但是钒酸铋的效率因为其自身的一些缺陷而受到了一定的限制。极低的电子迁移率导致光生载流子复合几率大并且表现出较低的表面水氧化动力学。

光生载流子的复合问题可以通过金属元素掺杂得到改善。Zhong等通过7％In³⁺掺杂BiVO₄很大程度上抑制了光生电子-空穴的复合，使得光电化学性能得到明显提升。Mo也多被用来对BiVO₄进行掺杂，以提高光生载流子的分离效率.表面氧化动力学可以通过添加产氧助催化剂的方式来提高。现在最常用的产氧助催化剂通常是Fe、Co、Ni类的。但是不管通过金属掺杂还是添加产氧助催化剂的方式，其光生电流密度在高偏压下提升较明显，然而在0-0.6V vs RHE范围的低偏压下并没有很明显的提升。

SrTiO₃导带位置较负，用Rh进行掺杂后，可以拓宽光吸收范围，因此Rh-SrTiO₃经常被用来作为一种产氢材料与BiVO₄构建Z体系。而且，大多数的研究报道主要是针对粉末光催化剂，鲜少有将BiVO₄/SrTiO₃体系作为光电极薄膜来研究用作光催化水产氧气材料。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种铑掺杂钛酸锶超薄纳米层覆盖的钒酸铋光阳极及其制备方法和应用。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

铑掺杂钛酸锶超薄纳米层覆盖的钒酸铋光阳极的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、采用电化学沉积的方式在FTO表面沉积BiOI前驱体；