[发明专利]一种可见光响应的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种可见光响应的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极及其制备方法和应用，属于光电材料技术领域，包括：将铁盐与碱金属硝酸盐、水和酸混合后与基体进行水热反应，得到FeOOH薄膜电极；将钒源溶液涂覆到FeOOH薄膜电极上进行热处理，得到纳米多面体钒酸铁薄膜光电极。本发明制备的钒酸铁薄膜光电极具有有序的多面体纳米结构，且纳米结构分散较为均匀，纯度高，具有优异的光电催化性能。实施例结果显示，本发明制备的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极对波长在610nm以下的光具有响应，对400nm波长光照下的光电转化效率高达12％，对多种有机物具有较高的降解率，其中甲基橙、刚果红和罗丹明B的降解效率超过95％。

技术领域

本发明涉及光电材料技术领域，尤其涉及一种可见光响应的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极及其制备方法和应用。

背景技术

基于可见光激发的光电催化分解水制氢和降解有机物是一种极具应用前景的技术。作为光电催化的核心部分，光催化电极的性能直接影响着光电催化体系的效果，因此，制备具有高光电催化(PEC)性能的光电极材料具有重要意义。

目前，普遍认为优良的半导体光催化电极所应具备的特点主要有：良好的可见光吸收性能、有序的纳米晶体结构、水溶液中稳定、无毒、易于制备和价廉等。在现有的光电催化材料中，n型半导体三斜型钒酸铁(FeVO₄)因具有良好的可见光吸收性能(带隙约2.0～2.1eV，可吸收波长＜600nm等可见及紫外光)、足够低的价带能产生高能量空穴用于水的氧化和有机物的降解以及在中性及碱性条件下良好的稳定性、无毒以及价廉等优点，而被视为极具发展前景的光电催化材料。现有的FeVO₄的制备方法主要包括滴涂法、喷雾热分解法和溶胶-凝胶法，但这些方法所制备的FeVO₄呈致密、多孔或堆积的粗糙纳米颗粒，这些无序的纳米结构不利于电子/空穴对的分离和界面电荷传输，致使FeVO₄的整体电荷传输能力差、空间电荷密度小，极大的限制了FeVO₄在光电催化领域的应用。

因此，如何制备有序纳米结构的FeVO₄进而提高其光电催化性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光响应的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极及其制备方法和应用。本发明制备的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极具有有序的纳米结构及优异的光电催化性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种可见光响应的纳米多面体钒酸铁薄膜光电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铁盐与碱金属硝酸盐、水和酸混合，得到混合溶液；

(2)将基体与所述步骤(1)得到的混合溶液进行水热反应，得到FeOOH薄膜电极；

(3)将钒源溶液涂覆到所述步骤(2)得到的FeOOH薄膜电极上进行热处理，得到纳米多面体钒酸铁薄膜光电极。

优选地，所述步骤(1)中的铁盐包括氯化铁、硝酸铁或硫酸铁。

优选地，所述步骤(1)中的碱金属硝酸盐包括硝酸钠或硝酸钾。

优选地，所述步骤(1)中铁盐和碱金属硝酸盐的物质的量之比为(0.05～0.4)：1。

优选地，所述步骤(1)中混合溶液的pH值为1.2～2.0。

优选地，所述步骤(1)中铁盐的物质的量与水的体积比为(5～10)mmol：7mL。

优选地，所述步骤(2)中水热反应的温度为80～120℃，水热反应的时间为1～12h。

优选地，所述步骤(3)中热处理的温度为450～650℃，热处理的时间为1～20h。