一种磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的制备方法

摘要

一种磷酸氢根离子修饰的α‑三氧化二铁薄膜的制备方法，步骤如下：1)将基体FTO导电玻璃清洗、干燥；2)将FTO导电玻璃浸没于磷酸盐与铁盐的混合水溶液后置于密封的反应釜中，在烘箱中反应，冷却至室温后取出FTO导电玻璃；所述磷酸盐为磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸氢钾或磷酸二氢钾；3)在马弗炉中焙烧，得到磷酸氢根离子修饰的α‑三氧化二铁薄膜。本发明的优点是：制备工艺简单、原料低廉、操作容易、制备成本低且清洁无污染；制得的α‑三氧化二铁薄膜较薄，具有良好的电荷分离能力和催化放氧活性，降低了电子与空穴对复合的几率，提高了纳米三氧化二铁薄膜的光电催化分解水性能，有望在工业生产领域得到应用。

权利要求

1.一种磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)将基体FTO导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、乙醇、氯仿超声清洗，氮气干燥后备用；

2)将磷酸盐与铁盐溶于水中，得到混合液，将FTO导电玻璃浸没于该混合液中，放置于密封的反应釜中，在80-150℃的烘箱中反应5－10小时，冷却至室温后打开反应釜，取出FTO导电玻璃；所述磷酸盐为磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸氢钾或磷酸二氢钾；

3)将上述FTO导电玻璃在马弗炉中于400-800℃焙烧10－60分钟，得到磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜。

2.根据权利要求1所述磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的制备方法，其特征在于：铁盐为硝酸铁、氯化铁或硫酸铁；混合液中磷酸盐的浓度为0.0015摩尔/升，铁盐的浓度为0.15摩尔/升。

说明书

一种磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及三氧化二铁薄膜的制备方法，尤其是涉及一种磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的制备方法。

背景技术

[0002] 氢能是一种应用潜力很大的清洁能源。1972年，日本Fujishima教授首次提出纳米二氧化钛(TiO2)在紫外灯照射下具有催化分解水制氢的能力，这引起了科学界对光催化分解水制氢的极大兴趣。目前，利用太阳能，以半导体纳米材料作为光催化剂的光催化分解水技术成为了最具吸引力的制氢方法之一。

[0003] 以二氧化钛为代表的传统纳米光催化材料，由于其带隙宽，对太阳能利用率低，严重阻碍了光催化材料的实际应用。为此，人们不断探索开发具有可见光响应的新型光催化材料。α-Fe2O3半导体材料的带隙宽度窄，具有很强的可见光吸收效率,可见光范围可以达到590nm，同时，其化学性质稳定、含量丰富。因此，ɑ相三氧化二铁半导体材料被认为是一种理想的光催化材料，对其光催化性能的研究已经成为一个热点。但是，纳米α-三氧化二铁存在空穴传输距离短、电子-空穴复合几率高等缺点，限制了其光解水的效率。通过掺杂钛、锡、硅等元素提高纳米ɑ相三氧化二铁薄膜的导电性，便于空穴传输，提高光电流。另一种改进方法是通过Al2O3,Ga2O3,In2O3,Co-Pi等金属氧化物或磷酸盐对三氧化二铁表面进行修饰，以改变表面态或提高催化放氧活性。采用价廉的磷酸根离子修饰三氧化二铁薄膜表面，也能显著提高光电流，增加光转化效率。因此，用价廉的原料制备高催化活性的磷酸盐修饰的α-三氧化二铁薄膜，促进电荷分离，提高放氧催化能力，从而使其具有更良好的光解水性能，在清洁能源领域具有十分重要的研究意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对三氧化二铁薄膜催化放氧活性低的问题，提出一种磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的制备方法，该制备方法采用水热法合成，将磷酸氢二钠加入到氯化铁溶液中，当氯化铁水热反应生成中间体FeOOH，其表面含有大量的羟基－OH，易于与磷酸氢根离子反应，再经焙烧制得的三氧化二铁薄膜表面具有丰富的磷酸根离子，促进三氧化二铁薄膜表面的电荷分离，以提高光电流和光解水放氧能力。

[0005] 本发明的技术方案：

[0006] 一种磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的制备方法，步骤如下：

[0007] 1)将基体FTO导电玻璃依次用洗洁精、去离子水、乙醇、氯仿超声清洗，氮气干燥后备用；

[0008] 2)将磷酸盐与铁盐溶于水中，得到混合液，将FTO导电玻璃浸没于该混合液中，放置于密封的反应釜中，在80-150℃的烘箱中反应5－10小时，冷却至室温后打开反应釜，取出FTO导电玻璃；所述磷酸盐为磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸氢钾或磷酸二氢钾；

[0009] 3)将上述FTO导电玻璃在马弗炉中于400-800℃焙烧10－60分钟，得到磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜。

[0010] 铁盐为硝酸铁、氯化铁或硫酸铁；混合液中磷酸盐的浓度为0.0015摩尔/升，铁盐的浓度为0.15摩尔/升。

[0011] 本发明的优点是：1)制备工艺简单、原料低廉、操作容易、制备成本低且清洁无污染；2)将磷酸氢二钠与氯化铁一同加入混合液中，在三氧化二铁薄膜表面更容易形成一层带负电的磷酸氢根离子，具有良好的电荷分离能力和催化放氧活性；3)得到的α-三氧化二铁薄膜较薄，厚度为30－80nm，降低了电子与空穴对复合的几率，提高了纳米三氧化二铁的光电催化分解水性能，有望在工业生产领域得到应用。

附图说明

[0012] 图1是制得的α-三氧化二铁薄膜的光电流图。

[0013] 图中：曲线(1)是实施例1制备的磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的光电流，曲线(4)是实施例1制备的磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的暗电流；曲线(2)是对比实施例2制备的α-三氧化二铁薄膜的光电流，曲线(5)是对比实施例2制备的α-三氧化二铁薄膜的暗电流；曲线(3)是对比实施例3制备的磷酸氢根离子浸泡的α-三氧化二铁薄膜的光电流，曲线(6)是对比实施例3制备的磷酸氢根离子浸泡的α-三氧化二铁薄膜的暗电流。

具体实施方式

[0014] 实施例一：

[0015] 一种磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的制备方法，步骤如下：

[0016] 1)将FTO导电玻璃裁成10×30mm的方块，依次用洗洁精、去离子水、乙醇、氯仿超声清洗基体FT0导电玻璃，氮气干燥后备用；；

[0017] 2)将0.0537g Na2HPO4·12H2O和2.433g无水三氯化铁溶于100mL水中，得到混合液，即混合液中三氯化铁和Na2HPO4的浓度分别为0.15摩尔/升和0.0015摩尔/升，将FTO导电玻璃浸没于该混合液中，放置于密封的反应釜中，在100℃的烘箱中反应6小时，冷却至室温后打开反应釜，取出FTO导电玻璃；

[0018] 3)浸没FTO导电玻璃的小烧杯整个放于反应釜内胆中，将反应釜密封好，在马弗炉中于700℃焙烧20分钟，得到磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜。

[0019] 对比实施例2：

[0020] 该对比实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：不加入Na2HPO4而制得的薄膜。

[0021] 对比实施例3：

[0022] 该对比实施例的制备步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：不加入Na2HPO4而制得的α-三氧化二铁薄膜，再将该薄膜浸泡在0.5M的Na2HPO4溶液1小时，取出后用去离子水冲洗，放在马弗炉中于700℃烧结20分钟，制得磷酸氢根离子浸泡的纳米α-三氧化二铁薄膜。

[0023] 制得的α-三氧化二铁薄膜的光电流图的分析：

[0024] 以制备的纳米α-三氧化二铁薄膜为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，用电化学工作站线性扫描伏安法测试我们制备薄膜的光电催化分解水性能，扫描电压范围为-0.3～1.0V vs Ag/AgCl。电解质为0.1M的磷酸钾溶液(PH＝7)，光源为模拟太阳光(光强为100mW cm-2)。该纳米α-三氧化二铁薄膜在光电作用下有较大光电流出现。

[0025] 图1是制得的α-三氧化二铁薄膜的光电流图。图中：曲线(1)是实施例1制备的磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的光电流，曲线(4)是实施例1制备的磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的暗电流；曲线(2)是对比实施例2制备的α-三氧化二铁薄膜的光电流，曲线(5)是对比实施例2制备的α-三氧化二铁薄膜的暗电流；曲线(3)是对比实施例3制备的磷酸氢根离子浸泡的α-三氧化二铁薄膜的光电流，曲线(6)是对比实施例3制备的磷酸氢根离子浸泡的α-三氧化二铁薄膜的暗电流。

[0026] 图中表明：通过修饰或浸泡方法，制备的含有磷酸根离子的α-三氧化二铁薄膜的光电流均比曲线(2)中的光电流强，说明磷酸根离子在α-三氧化二铁薄膜表面具有明显促进光电流的作用；曲线(1)和曲线(3)相比较，表明磷酸根离子修饰的薄膜光电流比浸泡的薄膜强，说明磷酸盐与氯化铁一同加入反应，制备的磷酸氢根离子修饰的α-三氧化二铁薄膜的光电流最佳。光电流的增强，显示三氧化二铁薄膜的光电催化分解水性能的提高。