一种在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法

摘要

本发明涉及在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法。本发明是以载有ZnO纳米棒阵列的导电基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有FeCl2的水溶液作为电解液；通过对所述的工作电极施加恒定正电位（相对于参比电极），使得工作电极附近的电解液中的Fe2+被氧化为Fe3+并形成FeOOH沉淀物，FeOOH沉淀物在ZnO纳米棒的表面不断沉积，同时ZnO纳米棒逐渐溶解直至完全消失，形成FeOOH纳米管阵列，从而得到生长有FeOOH纳米管阵列的导电基底；然后在管式炉中进行高温退火，使FeOOH纳米管阵列转化为Fe2O3纳米管阵列，在导电基底上得到Fe2O3纳米管阵列。

权利要求

1.一种在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法，其特征是，所述的制备方法包括以下步骤：(1)以载有ZnO纳米棒阵列的导电基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有浓度为5～15mM FeCl2的水溶液作为电解液；对工作电极施加相对于参比电极大小为0.95～1.15V的恒定正电位，使所述的工作电极附近的电解液中的

2+ 3+

Fe 被氧化为Fe 并形成FeOOH沉淀物，FeOOH沉淀物在所述的ZnO纳米棒的表面不断沉积，同时ZnO纳米棒逐渐溶解直至完全消失，形成FeOOH纳米管阵列，得到生长有FeOOH纳米管阵列的导电基底；

(2)将步骤(1)得到的生长有FeOOH纳米管阵列的导电基底放入管式炉中进行高温退火，使FeOOH纳米管阵列转化为Fe2O3纳米管阵列，在导电基底上得到Fe2O3纳米管阵列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的含有FeCl2的水溶液的温度为50～

80℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的对工作电极施加相对于参比电极的恒定正电位的时间为2～20分钟。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的高温退火的温度为500℃～800℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的导电基底是FTO导电玻璃基底。

说明书

一种在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体纳米材料制备领域，尤其涉及在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法。

背景技术

[0002] Fe2O3是一种窄带隙半导体（Eg=1.9~2.0eV），在光电催化分解水、锂离子电池、气体传感等领域具有广泛的应用价值（Nano Letter,2011,11,3503;Advanced Materials,2005,17,2993.）。在光催化分解水领域，Fe2O3的主要局限在于其很差的导电性、短的光生载流子寿命，以及非常短的载流子有效收集长度（几纳米量级），这导致Fe2O3内产生的大部分光生载流子都会因体相复合而损失掉，从而不能传输到Fe2O3/电解液界面参与光解水反应（Chemsuschem,2011,4,432.）。研究证明，纳米管阵列具有很好的减反射作用，可提高总的光吸收；其次，纳米管阵列中光生载流子的收集长度仅为纳米管管壁的厚度，大大缩短了光生载流子从体内传输到电解液的距离，减少了其体相复合；再次，纳米管阵列扩大了电极的有效面积，也有利于增大光电流。另外，在锂离子电池领域，研究证明Fe2O3纳米管不仅扩大了电极的有效面积，其特殊的中空结构还可为多次充放电过程中电极材料的体积膨胀提供空余空间，能有效防止多次充放电导致的材料粉化、结构坍塌，从而提高Fe2O3在多次充放电循环中的稳定性。

[0003] 基于Fe2O3纳米管阵列的优异性质和广阔的应用前景，本发明提供了一种用电化学沉积技术在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法。相对于其它制备方法，电化学沉积具有更好的可控性，无需极端的实验条件；另外，电化学沉积可增强材料颗粒界面处、材料与基底界面处的电学接触，从而有利于Fe2O3材料在光电催化、锂离子电池等领域的应用。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法。

[0005] 本发明是以载有ZnO纳米棒阵列的导电基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有FeCl2的水溶液作为电解液； 通过对所述的工作电2+ 3+
极施加恒定正电位（相对于参比电极），使得工作电极附近的电解液中的Fe 被氧化为Fe并形成FeOOH沉淀物，FeOOH沉淀物在ZnO纳米棒的表面不断沉积，同时所述的ZnO纳米棒由于电解液的酸性和所施加的正电位的影响逐渐溶解直至完全消失，形成FeOOH纳米管阵列，从而得到生长有FeOOH纳米管阵列的导电基底；然后在管式炉中对所述的生长有FeOOH纳米管阵列的导电基底进行高温退火，使FeOOH纳米管阵列转化为Fe2O3纳米管阵列，在导电基底上得到Fe2O3纳米管阵列。

[0006] 本发明的在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法包括以下步骤：

[0007] （1）电化学沉积制备FeOOH纳米管阵列：以载有ZnO纳米棒阵列的导电基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有FeCl2的水溶液作为电解液；对所述的工作电极施加恒定正电位（相对于参比电极），使得工作电极附近电解液中2+ 3+
的Fe 被氧化为Fe 并形成FeOOH沉淀物，FeOOH沉淀物在ZnO纳米棒的表面不断沉积，同时所述的ZnO纳米棒由于电解液的酸性和所施加的正电位的影响逐渐溶解直至完全消失，形成FeOOH纳米管阵列，得到生长有FeOOH纳米管阵列的导电基底；

[0008] （2）Fe2O3纳米管阵列制备：将步骤（1）得到的生长有FeOOH纳米管阵列的导电基底放入管式炉中进行高温退火，使FeOOH纳米管阵列转化为Fe2O3纳米管阵列，在导电基底上得到Fe2O3纳米管阵列。

[0009] 步骤（1）所述的含有FeCl2的水溶液中的FeCl2的浓度为5~15mM。所述的含有FeCl2的水溶液的温度为50~80℃。

[0010] 步骤（1）所述的施加恒定正电位（相对于参比电极）的时间优选为2~20分钟。所述的正电位（相对于参比电极）的大小为0.95~1.15V（相对于参比电极）。

[0011] 步骤（2）所述的高温退火的温度为500℃~800℃。

[0012] 所述的导电基底是FTO导电玻璃基底。

[0013] 本发明的在导电基底上制备Fe2O3纳米管阵列的方法优越性在于：制备过程无需复杂的诸如磁控溅射、原子层沉积等高真空设备，方法简单、可行性高；其次，所用原材料均为环境友好、价格低廉的化学物质；另外，电化学沉积可增强材料颗粒界面处、材料与基底界面处的电学接触，从而有利于Fe2O3材料在光电催化、锂离子电池等领域的应用。

附图说明

[0014] 图1.本发明实施例1制备的ZnO纳米棒阵列的扫描电子显微镜图片，（a）俯视图，（b）侧视图。

[0015] 图2.本发明实施例1制备的Fe2O3纳米管阵列的扫描电子显微镜图片，（a）俯视图，（b）侧视图。

[0016] 图3.本发明实施例1制备的Fe2O3纳米管阵列的透射电子显微镜图片。

[0017] 图4.本发明实施例1制备的Fe2O3纳米管阵列的X射线衍射谱。

[0018] 图5.本发明实施例2制备的Fe2O3纳米管阵列的扫描电子显微镜图片，（a）俯视图，（b）侧视图。

[0019] 图6.本发明实施例2制备的Fe2O3纳米管阵列的透射电子显微镜图片。

[0020] 图7.本发明实施例3制备的Fe2O3纳米管阵列的扫描电子显微镜图片。

[0021] 图8.本发明实施例3制备的Fe2O3纳米管阵列的透射电子显微镜图片。

具体实施方式

[0022] 实施例1.

[0023] 将FTO导电玻璃基底依次在丙酮、乙醇、水中进行超声清洗。以清洗洁净的FTO导电玻璃基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有0.2mM Zn(Ac)2和0.1M KCL，温度为85℃，持续通入氧气气泡的水溶液作为电解液；通过对所述的工作电极施加2小时，-1V的负电位（相对于参比电极），在FTO导电玻璃基底上电化学沉积得到ZnO纳米棒阵列，扫描电子显微镜图片如图1所示。

[0024] 以载有ZnO纳米棒阵列的FTO导电玻璃基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有5mM FeCl2，温度为50℃的水溶液作为电解液；通过对所述的工作电极施加0.95V，2分钟的正电位（相对于参比电极），使得工作电极附近的电解2+ 3+
液中的Fe 被氧化为Fe 并形成FeOOH沉淀物，FeOOH沉淀物在ZnO纳米棒的表面不断沉积，同时ZnO纳米棒由于电解液的酸性和所施加的正电位的影响逐渐溶解直至完全消失，形成FeOOH纳米管阵列，从而得到生长有FeOOH纳米管阵列的FTO导电玻璃基底；将生长有FeOOH纳米管阵列的FTO导电玻璃基底放入管式炉中，在500℃下进行高温退火2小时，使FeOOH纳米管阵列转化为Fe2O3纳米管阵列，在FTO导电玻璃基底上得到Fe2O3纳米管阵列。

[0025] 所得Fe2O3纳米管阵列的扫描电子显微镜图片如图2所示，透射电子显微镜图片如图3所示，X射线衍射谱如图4所示。

[0026] 实施例2.

[0027] 将FTO导电玻璃基底依次在丙酮、乙醇、水中进行超声清洗。以清洗洁净的FTO导电玻璃基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有0.2mM Zn(Ac)2和0.1M KCL，温度为85℃，持续通入 氧气气泡的水溶液作为电解液；通过对所述的工作电极施加2小时，-1V的负电位（相对于参比电极），在FTO导电玻璃基底上电化学沉积得到ZnO纳米棒阵列。

[0028] 以载有ZnO纳米棒阵列的FTO导电玻璃基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有10mM FeCl2，温度为70℃的水溶液作为电解液；通过对所述的工作电极施加1V，10分钟的正电位（相对于参比电极），使得工作电极附近的电解2+ 3+
液中的Fe 被氧化为Fe 并形成FeOOH沉淀物，FeOOH沉淀物在ZnO纳米棒的表面不断沉积，同时ZnO纳米棒由于电解液的酸性和所施加的正电位的影响逐渐溶解直至完全消失，形成FeOOH纳米管阵列，从而得到生长有FeOOH纳米管阵列的FTO导电玻璃基底；将生长有FeOOH纳米管阵列的FTO导电玻璃基底放入管式炉中，在600℃下进行高温退火2小时，使FeOOH纳米管阵列转化为Fe2O3纳米管阵列，在FTO导电玻璃基底上得到Fe2O3纳米管阵列。

[0029] 所得Fe2O3纳米管阵列的扫描电子显微镜图片如图5所示，透射电子显微镜图片如图6所示。

[0030] 实施例3.

[0031] 将FTO导电玻璃基底依次在丙酮、乙醇、水中进行超声清洗。以清洗洁净的FTO导电玻璃基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有0.2mM Zn(Ac)2和0.1M KCL，温度为85℃，持续通入氧气气泡的水溶液作为电解液；通过对所述的工作电极施加2小时，-1V的负电位，在FTO导电玻璃基底上电化学沉积得到ZnO纳米棒阵列。

[0032] 以载有ZnO纳米棒阵列的FTO导电玻璃基底作为工作电极，以铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以含有15mM FeCl2，温度为80℃的水溶液作为电解液；通过对所述的工作电极施加1.15V，20分钟的正电位（相对于参比电极），使得工作电极附近的电解2+ 3+
液中的Fe 被氧化为Fe 并形成FeOOH沉淀物，FeOOH沉淀物在ZnO纳米棒的表面不断沉积，同时ZnO纳米棒由于电解液的酸性和所施加的正电位的影响逐渐溶解直至完全消失，形成FeOOH纳米管阵列，从而得到生长有FeOOH纳米管阵列的FTO导电玻璃基底；将生长有FeOOH纳米管阵列的FTO导电玻璃基底放入管式炉中，在800℃下进行高温退火2小时，使FeOOH纳米管阵列转化为Fe2O3纳米管阵列，在FTO导电玻璃基底上得到Fe2O3纳米管阵列。

[0033] 所得Fe2O3纳米管阵列的扫描电子显微镜图片如图7所示，透射电子显微镜图片如图8所示。