[发明专利]一种两步喷雾热解制备钒酸铋薄膜的方法及应用

说明书

本发明提供一种两步喷雾热解制备钒酸铋薄膜的方法。该方法将包含碘化铵和硝酸铋的混合有机溶液作为前驱体；控制导电基底温度为200℃～400℃，将前驱体溶液雾化后喷涂在导电基底上，控制喷涂速度为0.1～2毫升/平方厘米/分钟，喷涂总量为5～20毫升/平方厘米，形成BiOI薄膜；然后，将含钼掺杂的乙酰丙酮氧钒DMSO混合溶液均匀喷涂在80℃～120℃的BiOI薄膜上，在300℃～500℃煅烧1h～5h，获得钒酸铋薄膜。该方法成本低，简单易操作，能够制成具有纳米结构、大面积、高性能的钒酸铋薄膜，可作为光电催化分解水制氢的光阳极。

技术领域

本发明属于材料制备及光电催化领域，具体涉及一种两步喷雾热解制备钒酸铋薄膜的方法及其在光电催化分解水产氢中的应用。

背景技术

当前，化石燃料产生的碳排放及能源分布、消费不均衡造成的环境问题日益严峻，新的可再生、清洁能源成为关乎人类可持续发展的关键性问题。以太阳能为源头的氢能在近年来日益受到关注，且被认为是最有可能应对人类未来能源发展挑战的解决方案之一，而其中一个核心问题在于如何高效地将太阳能转化为氢能源。在众多解决方案中，光电催化分解水全系统一次投入和运行综合成本具有明显优势，是制取氢气的最具效费比途径之一。

钒酸铋由于其合适的带隙宽度，优良的稳定性，对于太阳光的可吸收性强，被认为是最有前景的光电催化分解水材料之一。学术和工业界已有一些粉体制备方案。但从粉体材料到高效薄膜光电极存在很大的形态差异与制备难度。简单涂布法已被证实基本无法形成具有可接受量子效率的光电极。国际上广为采用的高效能光电极制备方法包括电沉积法、化学气相沉积法、激光溅射沉积法。但是，电沉积法实验条件难以控制，成品率低；化学气相沉积法、激光溅射沉积法对设备要求极高，同样不利于产业化。

因此，寻找一种经济、可靠，并且适用于大规模工业化生产钒酸铋薄膜的制备方法对钒酸铋材料的应用以及光电催化分解水的应用具有重要的意义。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种钒酸铋薄膜的制备方法，具有成本低，简单易操作，能够制得大面积、高性能的钒酸铋薄膜。

为了实现上述技术目的，本发明人通过探索研究后发现使用两步法制备钒酸铋薄膜，首先喷雾热解制备碘氧化铋(BiOI)薄膜，然后再热解形成钒酸铋(BiVO₄)薄膜，不仅能够降低制备难度、大幅度降低成本，而且能够得到大面积的钒酸铋薄膜。

即，本发明采用的技术方案是：一种两步喷雾热解制备钒酸铋薄膜的方法，包括以下步骤：

(1)将五水合硝酸铋溶于有机溶剂中，得到浓度为0.01～0.2mol/L的硝酸铋溶液；将碘化铵溶于有机溶剂中，得到浓度为0.01～0.2mol/L碘化铵溶液；将硝酸铋溶液与碘化铵溶液均匀混合，得到前驱体溶液；

(2)控制导电基底温度为200℃～400℃，将前驱体溶液雾化后喷涂在导电基底上，控制喷涂速度为0.1～2毫升/平方厘米/分钟，喷涂总量为5～20毫升/平方厘米，形成BiOI薄膜；

(3)控制步骤(2)制得的BiOI薄膜温度在80℃～120℃，将混合溶液均匀喷涂在步骤(2)制得的BiOI薄膜上，在300℃～500℃下煅烧1h～5h，然后去除表面的多余的氧化钒，得到BiVO₄薄膜；

所述的混合溶液的制备方法为：将乙酰丙酮氧钒和乙酰丙酮氧钼溶于二甲亚砜中，形成含钼掺杂的乙酰丙酮氧钒DMSO混合溶液，简记为混合溶液。

作为一种实现方式，煅烧完成后采用0.2～1mol/L，ph8.5的硼酸盐溶液清洗薄膜表面，以去除表面多余的氧化钒。

所述步骤(1)中，有机溶剂包括乙二醇、甲醇及其他溶剂。

所述步骤(1)中，作为优选，所得前驱体溶液中Bi原子与I原子的摩尔比为1：1～1：5。