一種摻雜氧化鐵納米棒催化劑的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及催化劑制備技術(shù)，特別是關(guān)于一種具有可見光吸收和光電催化的元素?fù)诫s的氧化鐵納米棒催化劑的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著納米科技的快速發(fā)展，人們的大量研究集中于具有良好的晶型和形貌，優(yōu)異物理性能和化學(xué)特性的納米結(jié)構(gòu)材料，并將其應(yīng)用于催化領(lǐng)域。相比其他材料，納米顆粒具有以下幾個優(yōu)勢:(I)納米級的顆粒具有更大的比表面積，從而增加催化劑和反應(yīng)物質(zhì)及溶液的接觸；(2)納米顆粒可以暴露更多的活性位點(diǎn)，從而提高催化劑的催化效率；(3)納米結(jié)構(gòu)在光電催化中能提高光生載流子密度從而增大材料的光電轉(zhuǎn)換效率。納米氧化鐵作為一種綠色功能材料，具有優(yōu)異的光催化、電催化和光電轉(zhuǎn)換性能，廣泛應(yīng)用于光催化，光降解和電催化劑等領(lǐng)域。a -Fe2O3作為一種η型半導(dǎo)體，具有良好的光電化學(xué)穩(wěn)定性和較窄的半導(dǎo)體寬度可以吸收太陽能中將近50%的能量。一維的納米結(jié)構(gòu)可作為天然半導(dǎo)體材料應(yīng)用光電解過程中，有利于光的吸收性質(zhì)和光生電子和空穴的傳輸分離過程。從而達(dá)到提聞光電解性能和效率的目的。
[0003]而單一的a -Fe2O3作為半導(dǎo)體光電催化劑，由于其本身的晶體形貌限制和內(nèi)阻較大，需對其進(jìn)行元素?fù)诫s改善其缺陷結(jié)構(gòu)，從而提高其光電性能。當(dāng)今世界中，多數(shù)研究集中在兩步制備摻雜或擔(dān)載的氧化鐵納米顆粒。對于在導(dǎo)電基板上生長一維納米棒或納米管，并同時一步制備一維摻雜氧化鐵的研究較少。本專利主要采用溶液熱法在導(dǎo)電基底上制備具有一維納米結(jié)構(gòu)的氧化鐵，并利用一步法制備將不同元素?fù)诫s在氧化鐵納米棒中。該材料在導(dǎo)電基底表面保持了氧化鐵的一維納米形貌，具有較大比表面積。作為光電催化劑和電化學(xué)催化劑，可以提供良好的電子傳導(dǎo)通道，因此顯示出良好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]我們發(fā)明了一種簡單可行的方法制備出具有納米棒狀的氧化鐵催化劑，并通過一步法在內(nèi)部摻雜了其他元素，其在電催化和光電催化中顯示了良好的應(yīng)用前景。
[0005]本發(fā)明的目的在于針對摻雜的氧化鐵納米棒提出一種可以廣泛應(yīng)用的制備方法。該法具有操作簡單，廉價(jià)易得，制備的薄膜形貌為納米棒狀及利于規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]一種摻雜氧化鐵納米棒催化劑的制備方法，清潔預(yù)處理具有導(dǎo)電特性的導(dǎo)電基板后，將導(dǎo)電基板浸入含有Fe3+和摻雜物質(zhì)前驅(qū)體溶液中利用溶液熱法在其表面沉積一層摻雜的羥基氧化鐵薄膜；再將所得的薄膜用去離子水清洗后煅燒，得到相同形貌的摻雜氧化鐵薄膜，按此方法制備的摻雜氧化鐵具有納米棒簇狀形貌和尺寸結(jié)構(gòu)；得到的摻雜氧化鐵納米棒結(jié)構(gòu)基本保持不變。
[0007]—種摻雜氧化鐵納米棒催化劑的制備方法，預(yù)處理導(dǎo)電基板后，將導(dǎo)電基板浸入含有Fe3+和摻雜物質(zhì)前驅(qū)體溶液中利用溶液熱法，在其表面沉積一層摻雜的羥基氧化鐵薄膜；一定氣氛下煅燒，得到相同形貌的摻雜氧化鐵薄膜。該方法一步得到摻雜氧化鐵具有納米棒簇狀形貌和一定的尺寸結(jié)構(gòu)。按此方法得到摻雜的氧化鐵納米棒保持了該晶體氧化鐵最初生長的形貌，并對其組成進(jìn)行了有效修飾。
[0008]具體制備步驟包括:
[0009]I)預(yù)處理過程如下:首先將導(dǎo)電基板分別依次放入丙酮，乙醇和去離子水中超聲清洗，經(jīng)去離子水溶液清洗后吹干，將導(dǎo)電基板不需要沉積的導(dǎo)電面及背面密封；
[0010]2)溶液熱合成過程:是利用水熱釜形成高壓的環(huán)境，經(jīng)預(yù)處理后的導(dǎo)電玻璃以一定角度置于水熱釜內(nèi)膽中，向其中加入含有0.1-1M的硝酸鈉、0.01-0.5M的Fe3+前驅(qū)體、摻雜物前驅(qū)體和水/聚乙二醇(體積比為19:1?2:1)的混合溶液；用0.1-2M的鹽酸溶液調(diào)節(jié)前驅(qū)體溶液的PH值為0.5-2，并攪拌均勻；將水熱釜密封完成后放入烘箱中加熱0.5-24h ；反應(yīng)完成后水熱釜自然冷卻至室溫；
[0011]3)從水熱釜中取出導(dǎo)電基板，經(jīng)去離子水清洗后去除密封介質(zhì)，將所得的導(dǎo)電基板放入400°C -800°C的氣氛中煅燒0.5-8h，自然冷卻至室溫，得到氧化鐵薄膜，按此方法制備的氧化鐵具有均勻的一維納米形貌；
[0012]所述的導(dǎo)電基板為導(dǎo)電玻璃(FTO)或其他導(dǎo)電平板，如Ti板，不銹鋼板等導(dǎo)電基板；
[0013]所述的導(dǎo)電玻璃表面電阻為> ΙΟΩ/sq，表面導(dǎo)電層厚度> 300nm，導(dǎo)電玻璃厚度^ 2mm，如氧化銦錫導(dǎo)電玻璃(ITO)或摻F的氧化銦錫導(dǎo)電玻璃(FTO)等；其他導(dǎo)電基板為Ti板，不銹鋼板等；
[0014]所述的密封介質(zhì)采用絕緣耐高壓介質(zhì)(如絕緣膠帶或環(huán)氧樹脂等)進(jìn)行密封，并在溶液熱反應(yīng)過后將密封介質(zhì)除去；
[0015]采用的Fe3+的前驅(qū)體水溶液為0.01-0.5M的FeCl3、Fe2 (SO4)3, Fe (NO3) 3等其他含有Fe3+離子的溶液中的一種或二種以上；
[0016]采用的摻雜物前驅(qū)體溶液為0.01-0.5M 的 Co (NO3)2, TiCl4, SnCl4, CrCl3, CeCl3,CuCl2, ZnCl2等含有其他需摻雜物種的前驅(qū)體離子的溶液中的一種或二種以上；
[0017]所述水熱反應(yīng)的溫度為100-200°C，水熱反應(yīng)的時間為0.5-24h ；
[0018]所述煅燒過程的一定氣氛為空氣、普氮或者99.9%的氮?dú)狻?br>[0019]本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果為:
[0020](I)本發(fā)明將導(dǎo)電基板作為沉積的基板，合成過程利用一步溶液熱法過程制備光電催化劑或電催化劑；
[0021](2)本發(fā)明在導(dǎo)電基板表面制備元素?fù)诫s的Ct-Fe2O3薄膜，通過透射電鏡及掃描電鏡表征制備的薄膜樣品是具有均勻的一維納米棒形貌的摻雜氧化鐵納米結(jié)構(gòu)。
[0022]本發(fā)明中薄膜具有較好的穩(wěn)定性，并且具有實(shí)施過程易操作，前驅(qū)體成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。采用此種方法制備的摻雜C1-Fe2O3氧化物作為光電解水催化劑，可實(shí)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，同時在電催化及其他催化領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景。
[0023]本發(fā)明利用水熱法制備摻雜氧化鐵的納米結(jié)構(gòu)具有均勻的形貌，并在可見光區(qū)具有吸收特性并在紫外可見光下催化水光電解。溶液熱法對制備的樣品的摻雜程度和形貌尺寸可控。該工藝制備方法簡單易行，制備的材料在光電催化及電化學(xué)催化等方面具有良好的應(yīng)用潛力。
【附圖說明】
[0024]圖1是絕緣膠帶密封的導(dǎo)電基板的圖片，其中網(wǎng)格部分為絕緣膠帶密封部分，空白為暴露的導(dǎo)電面。
[0025]圖2是溶液熱法制備裝置示意圖。左側(cè)圖為裝有前驅(qū)體溶液的水熱釜內(nèi)膽(聚四氟或其他耐高溫高壓材料)，右側(cè)圖示為水熱反應(yīng)釜外部結(jié)構(gòu)。
[0026]圖3是制備的摻雜Co元素后a -Fe2O3納米結(jié)構(gòu)放大100000倍的透射電鏡圖片，圖中標(biāo)尺為lOOnm，對應(yīng)實(shí)施例3。
[0027]圖4制備的a -Fe2O3的XRD圖譜，具體以5° /min的掃描速率從20°到80°，H代表氧化鐵的XRD特征峰，對應(yīng)實(shí)施例3。
[0028]圖5是制備摻雜Co元素后的a -Fe2O3的紫外可見吸收光譜，對應(yīng)實(shí)施例3。
[0029]圖6為摻雜Co元素后的a -Fe2O3的光電性能圖，D表示暗態(tài)條件，L為光照下的光電流密度，對應(yīng)實(shí)施例1。測試條件為:H型電解池中以Pt電極作為對電極，Ag/AgCl(sat.KCl)作為參比電極，IM的KOH(pH = 13.6)的電解液中進(jìn)行測試。光照的條件為10mW的可見光。
【具體實(shí)施方式】