Pb3Nb4O13光阳极材料的制备方法

摘要

本发明提出了一种新的光阳极材料Pb3Nb4O13的制备方法。此方法是先以PbO和Nb2O5为原料，利用固相反应法制备Pb3Nb4O13粉体，利用电泳沉积法将粉体制备成薄膜电极。并将Pb3Nb4O13光电极薄膜焙烧，得到结晶性较好的电极薄膜。Pb3Nb4O13是一种多元金属氧化物，其能带位置横跨水的导带与价带的位置，适合进行水的分解，其在水溶液中性质稳定，并且具有良好的光化学特性，并且制备方法简单、方便操作。对于Pb3Nb4O13的探究，为水的分解提供新的催化材料，缓解当今的环境能源紧张的局势。

权利要求

1.一种Pb3Nb4O13光阳极材料的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

1）量取适量的 PbO和Nb2O5混合于乙醇中，固液质量比为1:2，在球磨机中研磨一定时间，球磨的物料比为60:1，球磨时间为14h，用乙醇清洗后并烘干，将烘干后的粉体高温退火一定时间，冷却至室温；

2）将退火后的粉末再次研磨，研磨后再次高温处理一段时间，冷却至室温，得到Pb3Nb4O13粉末；

3）将适量的Pb3Nb4O13粉末样品分散于含I2的溶液A中，在超声波的震荡下获得电泳沉积的悬浮液；含有I2的溶液A为丙酮与水的混合溶液，其体积比例为25:1；

4）将两个面积相等的FTO面对面相互平行浸入以上悬浮液，并在两电极间施加一定的直流电压15V，沉积设定的时间1-5min，切断电流，将电极从悬浮液中取出，在室温条件下晾干并在马弗炉中焙烧得到Pb3Nb4O13光电极薄膜。

2.根据权利要求1所述Pb3Nb4O13光阳极材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中退火温度为600度时间为6h。

3.根据权利要求1所述Pb3Nb4O13光阳极材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中高温处理的温度为850度，时间为4h。

说明书

Pb3Nb4O13光阳极材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电化学技术领域，具体涉及一种新的光阳极材料Pb3Nb4O13的制备方法。

背景技术

[0002] 光电化学分解水制氢将太阳能转换成可储存的化学能，是 21 世纪解决环境和能源问题的主要手段。光阳极材料的开发是实现光电化学分解水大规模应用的关键。作为理想的光阳极半导体材料必须同时具备合适的带隙、导带价带能级、有效的载流子传输、稳定性好和成本低等特点。然而，迄今为止发现的光阳极材料中，没有一种能同时满足上述要求。因此，改善现有半导体材料的性能同时发展新的具有应用前景的光阳极新材料势在必行。

[0003] Pb3Nb4O13是一种多元金属氧化物，其能带位置横跨水的导带与价带的位置，适合进行水的分解，其在水溶液中性质稳定，并且具有良好的光化学特性，在光催化降解污染物领域有着良好的效果。迄今为止，对于Pb3Nb4O13半导体材料的研究很少，对于其作为光阳极材料的光电化学性能的研究几乎没有。因此，对于其潜在的性能的研究还是很有必要的。

发明内容

[0004] 本发明提供一种新的光阳极材料Pb3Nb4O13制备方法，此制备方法简单、方便、条件温和、有利于大规模制备。

[0005] 本发明采用的技术方案为：一种Pb3Nb4O13光阳极材料的制备方法，包括以下几个步骤：

[0006] 1）量取适量的 PbO和Nb2O5混合于乙醇中，在球磨机中研磨一定时间，用乙醇清洗后并烘干，将烘干后的粉体高温退火一定时间，冷却至室温；

[0007] 2）将退火后的粉末再次研磨，研磨后再次高温处理一段时间，冷却至室温，得到Pb3Nb4O13粉末。

[0008] 3）将适量的Pb3Nb4O13粉末样品分散于含I2的溶液A中，在超声波的震荡下获得电泳沉积的悬浮液。将两个面积相等的FTO面对面相互平行浸入以上悬浮液，并在两电极间施加一定的直流电压，沉积设定的时间，切断电流，将电极从悬浮液中取出，在室温条件下晾干并在马弗炉中焙烧得到Pb3Nb4O13光电极薄膜；

[0009] 所述的步骤1）中球磨的物料质量比为60:1，固液质量比为1:2，球磨时间为14h。

[0010] 所述的步骤1）中退火温度为600度时间为6h。

[0011] 所述的步骤2）中高温处理的温度为850度，时间为4h。

[0012] 所述的步骤3）中含有I2的溶液A为丙酮与水的混合溶液，其体积比例为25:1。

[0013] 所述的步骤3）中直流电压为15V，时间为1-5min。

[0014] 本发明具有以下有益效果：

[0015] Pb3Nb4O13是一种非金属N型半导体，由于具有良好的光学特性，可以吸收波长小于420nm的可见光，使其在光催化领域引起人们的关注，其禁带宽度为2.9eV，导带与价带位置横跨水的导带价带位置，具有分解水的潜在价值，并且制备方法简单、方便操作。为水的分解提供新的催化材料，缓解当今的环境能源紧张的局势。

附图说明

[0016] 图1为实施例1中球磨得到的Pb3Nb4O13粉末的XRD图。

[0017] 图2为实施例1中不同焙烧温度的Pb3Nb4O13薄膜的XRD图。

[0018] 图3为实施例1中不同焙烧温度下得到的Pb3Nb4O13薄膜的SEM图。

[0019] 图4为实施例2中不同焙烧温度下得到的Pb3Nb4O13薄膜的光电流的对比图。

[0020] 图5为实施例2中不同焙烧温度下得到的Pb3Nb4O13薄膜的阻抗图谱的对比图。

[0021] 图6为实施例2中Pb3Nb4O13薄膜的量子效率图。

具体实施方式

[0022] 实施例1 Pb3Nb4O13光阳极材料

[0023] （一）Pb3Nb4O13粉末的制备：

[0024] 1）取7.5mmol的PbO和5mmol的Nb2O5混合于乙醇中，其固液质量比为1：2，搅拌均匀至于球磨罐中，罐中研磨球为265g；

[0025] 2）启动球磨机，设置转速为200 r/min，研磨14h，关闭电源，用乙醇清洗后并烘干，将烘干后的粉体在马弗炉中600度退火6h，冷却至室温；

[0026] 3）将退火后的粉末再次重复1），2）的步骤进行研磨，研磨后再次煅烧850度4h，冷却至室温，得到Pb3Nb4O13粉末。

[0027] 将步骤3得到的粉末进行XRD测试，结果如图1所示，从图中可以看出该粉末为Pb3Nb4O13，具有良好的结晶性。

[0028] （二）Pb3Nb4O13电极薄膜的制备：

[0029] 1）取10mg I2置于去离子水与丙酮的混合溶液中（水与丙酮的体积比为1:25），密封超声30min至溶液分散均匀；

[0030] 2）将1）中得到均匀的分散液中加入0.1g Pb3Nb4O13粉末，密封超声1h，得到电泳沉积悬浮液；

[0031] 3）将两个面积相等的FTO面对面相互平行浸入2）中得到的悬浮液，并在两电极间施加15V的直流电压，沉积3min；

[0032] 4）切断电流，将电极从悬浮液中取出，在室温条件下晾干并在马弗炉中焙烧400度得到Pb3Nb4O13光电极薄膜，标记为Pb3Nb4O13-400

[0033] 5）重复以上步骤，仅将步骤4）中的焙烧温度分别改为450度和500度得到的两个薄膜样品分别标记为Pb3Nb4O13-450，Pb3Nb4O13-500.

[0034] 将步骤得到的三个样品进行XRD测试，结果如图2所示，从图中可以看出随着焙烧温度的增高，样品的结晶度增强；再将样品进行SEM测试，结果如图3所示，从图中可以看出随着温度的增高，薄膜表面孔隙率变低，薄膜更致密。

[0035] 实施例2 Pb3Nb4O13电极薄膜的应用

[0036] 分别将实施例1制备的Pb3Nb4O13-400、Pb3Nb4O13-450和Pb3Nb4O13-500光阳极进行光电流、阻抗、以及量子效率等一系列的光电化学性能测试。

[0037] 所有电化学实验测试过程都在三电极体系的电化学工作站（Princeton Applied Research 2273）中进行。样品薄膜作为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极，电解液为0.5M硫酸钠，样品光照射面积为1 cm2。

[0038] 光电流测试：光源为300W氙灯，偏压为1.18v vs. VRHE，测得结果如图4所示，结果显示，焙烧温度对光电流的影响，随着温度的升高，光电流也随之增大。

[0039] 电化学阻抗谱（EIS）测试：固定的电压为0V vs.Voc，频率范围是0.1 105Hz。测得结~果如图5所示，焙烧温度越高，阻抗越小，其中，担载Co-Pi的样品的阻抗值最小；

[0040] 量子效率（IPCE）测试：选取多个波长(380nm，390nm, 410nm, 420nm, 430nm, 450nm, 460nm, 490nm)的单色光照射样品，测得其在偏压为1.18V vs. VRHE时的光电流。利用公式：

[0041]

[0042] 其中，I为光电流密度（单位：µA），λ为入射单色光波长(nm)，P为入射光强（单位：µW）。通过计算得出量子效率的值，结果如图6所示，在波长为390nm单色光照射下的量子效率最高。