[发明专利]铋酸钙/氧化钨复合光电极、制备方法及其在光电催化分解水中的应用

说明书

本发明涉及一种铋酸钙/氧化钨复合光电极的制备方法，其具体为：1）以钨酸为原料，以PVA、PVP、柠檬酸、草酸、乙腈等为形貌控制剂，通过180‑200℃下保温6‑12小时溶剂热后，再于450‑600℃煅烧1‑3小时，得到片状WO₃光电极；2）以硝酸铋、硝酸钙为原料，与氨水溶液交叉滴加旋涂后，升温至450‑550°C保温10‑24小时，自然冷却至室温即得。本发明得到的CaBi₆O₁₀/WO₃复合光电极成本低廉、结构稳定，其光电流密度得到明显的提升，提高了光电极光电催化水分解效率，而且在中性溶液表现出良好的稳定性。

技术领域

本发明属于复合电极制备及光电催化分解水技术领域，具体涉及一种铋酸钙/氧化钨（CaBi₆O₁₀/WO₃）复合光电极、制备方法及其在光电催化分解水中的应用。

背景技术

随着社会和工业的快速发展，化石燃料的大量而快速的消耗，使得人类在面临日益严峻能源危机的同时，也要面临着全球气候变暖问题。新型能源的开发逐渐成为当前研究热点之一。半导体氧化物光电化学太阳能转化技术是利用半导体氧化物电极将通过分解水或其他途径将太阳能转化成可储存的氢能，它被认为是解决日益增长的能量需求最优潜力的途径之一。其中，光电催化技术因采用外加电压与光驱动并行的方式，使得半导体产生的光生载流子得到了有效的分离，同时使得光生电子与光生空穴分别在不同的电极上参与水的氧化和还原反应，从而避免了水分解产物氧气和氢气的后期分离，同时将催化材料固定在导电基底也利于催化剂的循环使用。其中，半导体光阳极材料在光电催化反应过程中主要是利用光生空穴发生析氧反应。三氧化钨（WO₃）作为较窄带隙（2.5~2.7 eV）的n型半导体，可以吸收一部分可见光，并且其价带位置比水分解电位要正（3 eV vs. NHE），因此WO₃常作为光阳极材料使用。然而，WO₃自身也存在一些缺点，比如析氧动力学较差，在中性电解质溶液中稳定性差，使其在光电催化测试中实际的光电流远远达不到理想的效果。

为了提高半导体电极材料的光电化学性能，我们就需要通过各种手段（掺杂，材料复合、表面处理、形貌和结构控制等）来对其进行改造优化。其中，半导体复合是应用最为广泛的手段之一。其利用半导体之间形成异质结，在提高复合材料的光响应范围的同时，提升光生载流子的分离效率，进而提高了光电极的光电流。此外，催化剂的结构稳定性是实际应用性关注的重点之一。因此，开发构建高效、稳定、廉价、易得的复合半导体光电极仍然是半导体光电催化水分解技术应用的关键。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种CaBi₆O₁₀/WO₃复合光电极，该复合光电极不仅成本低廉、合成简单，并且其光电流密度得到较大提升，材料在中性溶液中的稳定性也得到提高，有望使得WO₃基光电极得到广泛应用。

本发明还提供了上述CaBi₆O₁₀/WO₃复合光电极的制备方法及其在光电催化分解水中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铋酸钙/氧化钨复合光电极的制备方法，其首先以钨酸为原料，以PVA、PVP、柠檬酸、草酸、乙腈等为形貌控制剂，通过煅烧得到片状WO₃光电极；然后以硝酸铋、硝酸钙为原料，与氨水交叉旋涂后经煅烧获得；其具体包括如下步骤：

1）WO₃种子层制备：称钨酸、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮与双氧水混合后，加热至80-90℃回流反应1.5-3.5小时，得到钨酸溶液，将钨酸溶液旋涂在洁净的FTO导电玻璃表面，然后于450-600℃保温1-3小时，得到负载WO₃种子层的FTO导电玻璃；