[发明专利]一种层状三氧化钨光电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种层状三氧化钨光电极材料及其制备方法，属于无机光电材料领域的技术。该方法采用溶剂热法在导电玻璃FTO上生长三氧化钨薄膜，得到基片，再将基片进行退火处理制得层状三氧化钨光电极。具体做法是以钨源为原料，水与乙醇的混合溶液作为溶剂，在搅拌的条件下向其中加入双氧水、盐酸和草酸。以FTO基底为载体，通过溶剂热法在FTO基底上生长三氧化钨晶体，再经煅烧得到层状三氧化钨薄膜。此制备方法简单易行，重复性好，三氧化钨能均匀的生长在FTO表面。所制备的层状三氧化钨具有多层结构，使得光电极与电解液有足够大的接触面积，有效提高了电荷传输效率，促进光生电荷的分离，从而提高了三氧化钨的光电化学性能。

技术领域

本发明属于无机光电材料技术领域，具体涉及一种层状三氧化钨光电极材料及其制备方法。

背景技术

三氧化钨是一种n型间接带隙半导体材料，具有与太阳光较为匹配的能带结构（E_g= 2.5-2.8 eV）、适当的空穴扩散距离（~ 150 nm）和较快的电子迁移率（约12 cm² V^-1 s^-1）。同时，三氧化钨具有较高的价带能级3.0 eV（vs. NHE），大于O₂/H₂O（1.23 V vs. NHE）氧化还原电位，因此其光生空穴具有较强的氧化能力。

另外，三氧化钨在中等pH条件下稳定性高，导电性好，耐光电化学腐蚀。由于具备这些优良的特性，使得三氧化钨成为目前最优秀的光电极材料之一。

三氧化钨的微观形貌对光电极的体内光生载流子的传输、界面载流子注入和表面氧化动力学有较大的影响。目前，已经有各种形貌的三氧化钨半导体材料相继报道，不同形貌的材料具有各自的优势展现出不同的光电化学性能。Grimes等人用涂种子层的方法在FTO上水热生长三氧化钨纳米棒（Nano Lett. 2011, 11, 1928-1933 ），以及Yang等人以草酸铵作为结构导向剂在FTO上水热生长三氧化钨片状阵列（J. Mater. Chem., 2012, 22,17744-17752 ）。目前还未有关于层状三氧化钨的相关报道，多层状结构的三氧化钨具有较大的比表面积，使得层状三氧化钨光电极的受光面积较大，能够提高氧化钨光电极的光子吸收率。同样地，较大的比表面积也能够增大氧化钨光电极与电解液的接触面积，能够有效促进光生电荷的分离，提高光生电子-空穴的转移效率。本发明采用简单的溶剂热法将微纳结构的三氧化钨均匀生长在FTO上，经热处理后得到的多层状氧化钨，比表面积大，结晶性好。因此，本专利制备的新型层状光电极材料在光催化以及光电催化领域具有一定的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种层状三氧化钨光电极材料及其制备方法，本发明的方法操作简单易行，重复性好，所制备的三氧化钨电极材料具有多层结构，比表面积大，结晶性好。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种层状三氧化钨光电极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将钨源与过氧化氢溶液加入去离子水中，在室温下搅拌10~20 min，形成均匀混合溶液；向混合溶液中加入盐酸，有白色烟雾冒出，在室温下搅拌10~20 min；随后，再向混合溶液中加入一定量的草酸，并在室温下搅拌10~30 min；最后向混合溶液中加入无水乙醇，在室温下搅拌10~20 min，得到澄清透明的前驱液。

（2）将步骤（1）配制好的前驱液转移到聚四氟乙烯反应釜中，并将预处理的导电玻璃FTO浸入前驱液中，使FTO以45º角斜靠在反应釜聚四氟乙烯内胆壁，并保持导电面朝下；在150~200 ℃下水热反应1~12 h，反应结束后，自然冷却至室温，将生长有三氧化钨的FTO试样取出，用去离子水冲洗两遍，在60~70 ℃下烘干，得到三氧化钨薄膜。

（3）将步骤（2）得到的三氧化钨薄膜放在管式炉中，在400~550 ℃下热处理1~3 h，自然冷却之后得到层状的三氧化钨薄膜，即为层状三氧化钨光电极材料。