[发明专利]一种CoOOH纳米片修饰Fe2

说明书

本发明提供了一种CoOOH纳米片修饰Fe₂O₃复合光阳极的制备方法及应用，包括以下步骤：（1）将制备好的Fe₂O₃电极片浸渍于事先制备好的可溶性钴盐水溶液中，随后取出电极片空气吹扫干燥，并重复上述浸渍数次。（2）将浸渍有钴盐的Fe₂O₃电极片置于强碱性溶液中水解后，用去离子水离心洗涤，置于干燥箱中，干燥后得CoOOH纳米片修饰Fe₂O₃复合光阳极目标材料。本发明方法操作简单、温和，室温条件即可完成，与传统合成方法相比大大降低了合成的能耗和危险性，且将其用作光电分解水阳极具有催化水氧化活性高、反应动力学好等一系列优点。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种CoOOH纳米片修饰Fe₂O₃复合光阳极的制备方法及应用。

背景技术

氢能具有能量密度高、易于储存和输送、环境友好、零碳排放等优点，是最理想的能量载体。利用太阳能驱动水分解尤其是经光电化学转化分解水制氢被认为是获取氢能的理想途径之一。近年来，着眼于解决能源问题的实际需要，光吸收效率与太阳光子光通量接近的可见光响应的半导体材料如WO₃、BiVO₄、Fe₂O₃等金属氧化物被大量地开发利用，并逐渐成为人们研究的“热点”体系。其中，α-Fe₂O₃具有禁带宽度窄(1.9-2.2 eV)、元素组成丰富、无毒、在强碱性溶液中稳定等优点，是一种理想的光阳极材料。然而，由于Fe₂O₃为化学反应惰性界面，水氧化反应动力学速率缓慢(通常在微秒的时间尺度上)，而光生电子和空穴的复合则在亚皮秒-皮秒的时间尺度内，导致整个水氧化反应过程一直伴随着电子-空穴复合的竞争反应，特别是严重的表面复合，从而限制了其实际应用。

表面修饰产氧助催化剂是提高半导体光阳极光电催化分解水性能最为有效的手段之一。目前，性能优异的产氧助催化剂都是从产氧电催化剂，如过渡金属(Co、Fe、Ni、Mn)基氢氧化物、氧化物、羟基氧化物、磷酸化物等，筛选得来。助催化剂的引入不仅能够构建新的催化活性位点，降低水氧化反应的活化能，缓解半导体表面水氧化反应动力学慢的问题，而且能有效促进助催化剂/半导体界面电子-空穴的分离。最近，羟基氢氧化钴(CoOOH)具有独特的层状结构，层与层之间可以发生独立的氧化还原反应，在高效产氧助催化剂领域展现了广阔的应用开发前景。其中，CoOOH纳米片作为新兴的2D纳米材料，由于其大的表面积，催化活性位点充分暴露，有利于提高水氧化反应速率；同时其超薄纳米结构，有效缩短载流子传输距离，有利于光生载流子快速传递，从而提高光生载流子分离效率。然而，CoOOH纳米片作为光电水氧化助催化剂在光电化学中的发展仍处于探索阶段，相关研究工作较少。据报道，Tang等人采用水热-旋涂两步法将CoOOH纳米片修饰于BiVO₄电极表面。具体地，以CoCl₂·6H₂O为原料，首先通过水热法制备超薄Co(OH)₂纳米片，然后在次氯酸钠溶液中进行氧化处理，最终得到超薄CoOOH纳米片，并进一步通过旋涂的方式修饰于BiVO₄电极表面构建复合CoOOH/BiVO₄光阳极。在CoOOH助催化剂协同半导体异质结的作用下，显著降低了水氧化过电位，减少了光生载流子复合几率，从而提高了BiVO₄光阳极的光电催化水氧化性能（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 6228−6234）。

利用上述方法制备羟基氧化钴修饰的光阳极材料的实验步骤过于复杂，受到诸多限制，尤其是在第二步旋涂过程中需要更精确的控制才能使BiVO₄和CoOOH形成良好的界面接触，降低界面接触势垒，从而促进电荷分离。因此需要寻求一种更直接、简单的方法构建高效的基于CoOOH纳米片助催化剂的复合光阳极材料。

发明内容