[发明专利]取向生长晶体阵列构成的钒酸铋薄膜电极及其制备和应用

说明书

本发明公开一种取向生长晶体阵列构成的钒酸铋薄膜电极，所述电极为导电基底上取向生长钒酸铋十面体晶体阵列组成的薄膜电极，其晶轴在垂直于其所生长处导电基底表面方向上呈[121]或[010]取向。本发明还公开了所述具有特定晶轴取向的晶体阵列钒酸铋薄膜电极的制备方法及其用于光电催化分水解用途。本发明的优点在于实现钒酸铋晶体阵列的取向生长，能够在非特定的外延基底上生长具有特定晶轴取向的钒酸铋电极，所得晶体阵列钒酸铋薄膜电极在光催化、光电催化、光伏电池以及半导体电子元器件等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及取向生长晶体阵列构成的钒酸铋薄膜电极及其制备方法。

背景技术

环境污染和能源短缺是当今人类社会面临的两大问题，开发清洁可再生能源对于社会可持续发展具有重大意义。太阳能作为清洁且储量丰富的可再生能源备受人们关注。1971年Fujishima和Honda发现在光照条件下，TiO₂半导体可作为光阳极吸收光子，产生光生电子和空穴，促进水的光电分解产生氢气和氧气。此后利用半导体材料进行光催化分解水制氢和光电催化分解水制氢得到了越来越多的关注。

半导体催化剂作为构建太阳能光电催化分解水体系的重要部分，在整个光电催化分解水过程中决定了太阳能转化利用的效率。光电催化分解水过程包括：(1)半导体受光激发，产生光生电子和空穴，(2)光生电子和空穴有效分离，并迁移至表面反应位点，(3)位于表面反应位点的光生电子和空穴参与表面催化反应，分解水产生氢气和氧气。整个体系的光电分解水能量转化效率由半导体吸光效率，光生电荷的分离效率和半导体表面催化反应的效率所共同决定。如何提高半导体光电催化分解水过程中的上述三个效率是目前光电催化分解水领域的研究重点。研究发现，半导体薄膜的晶轴取向对光电过程中薄膜内电荷分离具有重要影响(Han et al.Energy Environ.Sci.,2018,11,1299-1306)，具有特定单一晶轴取向的半导体薄膜中光生电子或空穴更易分离传输，进而提高半导体内部光生电荷的有效分离效率。因此可控生长半导体晶体薄膜对于构建高效光电分解水光电极体系具有重要意义。目前可控生长半导体晶体薄膜的方法主要为晶体外延生长法，该方法能够在特定基底上生长特定取向以及暴露指定晶面的半导体晶体阵列，如Lee Sanghan研究组通过激光脉冲沉积方法在具有[011]取向的氧化钇稳定氧化锆基底上外延生长了[001]晶轴取向的钒酸铋薄膜(Song Jaesun,et al.ACS Catal.,2018,8,5592-5962)，但是这种外延生长法所需仪器设备昂贵，需要具有特定晶轴取向的外延生长基底，具有晶体薄膜生长速度慢、晶体取向受限等缺点。另一方面，通过制备半导体晶体粉末颗粒进行二次组装构成晶体阵列电极的方法也有报道，如Kang Young Soo研究组通过合成WO₃晶体颗粒，并采用指压法组装WO₃单晶颗粒，得到特定WO₃晶体阵列的光阳极薄膜(Zheng Jin You,et al.Cryst.GrowthDes.,2014,14,6057-6066)，但是这种方法制备得到的半导体薄膜与基底接触较差，影响导电性，光电流较低。水热法是一种被广泛用来合成无机材料的方法，能够可控生长具有不同形貌的晶体材料，同时采用构建晶种层来诱导晶体成核生长，能够实现可控生长晶体阵列电极。