納米α-Fe2O3薄膜可控制備與光解水制氫研究.pdf

1、α-Fe2O3材料由于資源豐富、價格低廉、無毒、與環(huán)境友好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于資源與環(huán)境領(lǐng)域，其禁帶寬度為2.1eV，光吸收波長達590nm，光解水的理論光電流高達12.6mA/cm2，這些特點使其成為目前最有潛力的光解水制氫催化劑之一。但是，α-Fe2O3載流子遷移率低（0.2cm2·V-1·s-1），空穴擴散距離短(＜4nm)，放氧反應(yīng)速度慢，這些自身存在的缺陷使α-Fe2O3的實際光電流卻遠小于理論值。近年來，一般采用摻雜離子（如

2、Mg2+, Ti4+或Sn4+等）的方法來提高其導電性能；通過控制形貌，尤其制備成一維納米棒/線陣列結(jié)構(gòu)縮短空穴擴散長度；采用表面沉積貴金屬氧化物（IrO2）或Co-Pi等催化劑提高α-Fe2O3的催化活性，降低超電勢。本文采用水熱合成法制備α-Fe2O3薄膜材料，通過形貌控制和表面修飾以提高其光電性能，深入研究材料的結(jié)構(gòu)、形貌和修飾物對薄膜電極光電性能的影響，確定薄膜材料的構(gòu)效關(guān)系，以促進高效光催化分解水制氫的催化劑設(shè)計與制備。

3、>　　采用兩相分離的水熱合成法，在FTO導電玻璃上制備α-Fe2O3/TiO2薄膜，通過條件優(yōu)化，確定最優(yōu)光電流的薄膜制備條件：1.0mg/mL TiO2的乙醇溶液制備TiO2薄膜，水熱合成溫度為140℃，馬弗爐煅燒溫度為500℃，循環(huán)沉積4次。該薄膜在光照強度為100 mW/cm2，外電壓為1.5VRHE時光電流密度達到0.683 mA/cm2，且在光電催化分解水實驗中，光電流很穩(wěn)定，基本沒有下降，表明α-Fe2O3/TiO2電極具有

4、非常高的穩(wěn)定性。經(jīng)XRD和TEM表征分析，TiO2不僅對α-Fe2O3晶體的生長有促進作用，還有助于負載更多的α-Fe2O3，增強薄膜對光的吸收能力。為充分利用透過薄膜的剩余光能，將4塊相同的α-Fe2O3/TiO2薄膜電極串聯(lián)，光電流密度隨之提高到1.53mA/cm2，通過電極串聯(lián)的方式增加對光能的吸收，為薄膜電極充分利用太陽光提供了一種途徑。
　　采用水熱循環(huán)沉積7次制備的α-Fe2O3薄膜厚度達175nm，光電流接近α-Fe

5、2O3/TiO2薄膜電極，表明一定厚度的α-Fe2O3薄膜，“耗盡層”對光電流的影響可以忽略。在該薄膜表面修飾一層還原氧化石墨烯（RGO），確定了氧化石墨烯的旋涂溶液濃度為7 mg/mL、氧化石墨烯的還原溫度為400℃的最佳制備條件。詳細研究了還原氧化石墨烯對提高光電流的影響和作用機理，表明還原氧化石墨烯具有收集、儲存空穴的作用，并有促進電荷傳輸?shù)墓δ?。開發(fā)出以與環(huán)境友好的碳基材料代替有毒或昂貴的金屬氧化物用于α-Fe2O3薄膜表面修飾

6、的實驗方法。
　　根據(jù)磷酸根離子的定向排列作用，制備了納米塊結(jié)構(gòu)α-Fe2O3薄膜，研究了磷酸鹽對α-Fe2O3形貌特征的影響，確定了Na2HPO4:FeCl3的摩爾比為1％的水熱制備條件。該薄膜電極在1.5 VRHE電壓時光電流達到0.788mA/cm2，表現(xiàn)出良好的光電催化性能。深入研究了納米塊形貌、磷酸根離子與α-Fe2O3的結(jié)合方式以及薄膜表面的磷酸根離子負載量對光電流的影響。超薄的納米塊(<50nm)晶體光生電子與空穴向