水热法和电化学表面处理制备高性能Fe2O3光阳极

万丽娟 杨明 张丽

引用本文:
Citation:

水热法和电化学表面处理制备高性能Fe2O3光阳极

    通讯作者: 万丽娟, bartty_ym@163.com
  • 中图分类号: O643.3

Synthesis of Fe2O3 photoanode with improved photoelectrochemical performance by hydrothermal method and surface electrochemical pretreatment

    Corresponding author: WAN Li-juan, bartty_ym@163.com ;
  • CLC number: O643.3

  • 摘要: 通过水热的方法合成了α−Fe2O3光电极. 通过X射线衍射(XRD)、紫外−可见(UV−vis)吸收光谱、扫描电镜(SEM)对α−Fe2O3光阳极进行表征,并对α−Fe2O3光阳极进行了光电化学性能表征. 为了提高α−Fe2O3光阳极的光电性能,对制备α−Fe2O3光阳极的条件进行了优化. 光电化学测试的结果表明:电化学表面处理能够提高α−Fe2O3光阳极的光电化学性能,并分析了α−Fe2O3光阳极光电性能增加的机理. 电化学表面处理有利于光生空穴传递并且减少了电子−空穴对的复合几率,从而提高了α−Fe2O3光阳极的光电性能.
  • 图 1  水热法在180 ℃加热2 h制备的Fe2O3薄膜的XRD图,“*”代表FTO衍射峰

    Figure 1.  XRD pattern of Fe2O3 film prepared through hydrothermal method and heated at 180 ℃ for 2 h, and “*” represent FTO’s diffraction peaks

    图 2  水热法制备的α−Fe2O3薄膜的UV−vis吸收光谱图

    Figure 2.  The UV−vis absorption spectrum of α−Fe2O3 film prepared by hydrothermal method

    图 3  水热法制备的α−Fe2O3薄膜的扫描电镜(SEM)图

    Figure 3.  SEM image of the surface of α−Fe2O3 film prepared by hydrothermal method

    图 4  在180 ℃加热2 h制备的α−Fe2O3样品的光电流曲线图

    Figure 4.  Photocurrent curves of the α−Fe2O3 sample prepared at 180 ℃ for 2 h

    图 5  不同水热温度加热2 h制备的α−Fe2O3样品的光电流曲线图

    Figure 5.  Photocurrent curves of α−Fe2O3 samples prepared at different hydrothermal temperatures for 2 h

    图 6  在180 ℃加热不同时间制备的α−Fe2O3样品的光电流曲线图

    Figure 6.  Photocurrent curves of α−Fe2O3 samples prepared at 180 ℃ for different time

    图 7  α−Fe2O3样品的计时电流(σt)曲线图,测试条件:1 mol/L KOH水溶液,AM 1.5 G太阳光模拟器(Oriel 92251A−1000),三电极体系,电势:0.15 V vs. Ag/AgCl

    Figure 7.  Chronoamperometry (σt) curve of α−Fe2O3 sample electrode in a 1 mol/L KOH aqueous solution; a AM 1.5 G sunlight simulator (Oriel 92251A−1000), a three-electrode system, the potential: 0.15 V vs. Ag/AgCl

    图 8  光照前后的α−Fe2O3样品的XRD图,测试条件:1 mol/L KOH水溶液,电势:0.15 V vs. Ag/AgCl

    Figure 8.  XRD patterns of the α−Fe2O3 sample in a 1 mol/L KOH aqueous solution, potential: 0.15 V vs. Ag/AgCl

  • [1] Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode[J]. Nature, 1972, 238(S8): 37-38.
    [2] Li Z S, Luo W J, Zhang M L, et al. Photoelectrochemical cells for solar hydrogen production: current state of promising photoelectrodes, methods to improve their properties, and outlook[J]. Energy Environ Sci, 2013, 6: 347-370. DOI:  10.1039/C2EE22618A.
    [3] 谢玉波, 宣洋, 梁媛, 等. Zn xCd1- xS纳米球的制备及其光催化性能研究[J]. 云南大学学报: 自然科学版, 2018, 40(3): 521-528. DOI:  10.7540/j.ynu.20170344. Xie Y B, Xuan Y, Liang Y, et al. Preparation and photocatalytic properties of ZnxCd1-xS nanospheres[J]. Journal of Yunnan Univesity: Natural Sciences Edition, 2018, 40(3): 521-528.
    [4] Santato C, Odziemkowski M, Ulmann M, et al. Crystallographically oriented mesoporous WO3 films: Synthesis, characterization, and applications[J]. J Am Chem Soc, 2001, 123(43): 10 639-10 649. DOI:  10.1021/ja011315x.
    [5] Rao P M, Cai L, Liu C, et al. Simultaneously efficient light absorption and charge separation in WO3/BiVO4 core/shell nanowire photoanode for photoelectrochemical water oxidation[J]. Nano Lett, 2014, 14(2): 1 099-1 105. DOI:  10.1021/nl500022z.
    [6] Cesar I, Kay A, Gonzalez martinez J A, et al. Translucent thin film Fe2O3 photoanodes for efficient water splitting by sunlight: Nanostructure-directing effect of Si-doping[J]. J Am Chem Soc, 2006, 128(14): 4 582-4 583. DOI:  10.1021/ja060292p.
    [7] Glasscock J A, Barnes P R F, Plumb I C, et al. Enhancement of photoelectrochemical hydrogen production from hematite thin films by the introduction of Ti and Si[J]. J Phys Chem C, 2007, 111(44): 16 477-16 488. DOI:  10.1021/jp074556l.
    [8] Zandi O, Klahr B M, Hamann T W. Highly photoactive Ti-doped α−Fe2O3 thin film electrodes: resurrection of the dead layer[J]. Energy Environ Sci, 2013, 6: 634-642. DOI:  10.1039/C2EE23620F.
    [9] Kronawitter C X, Mao S S, Antoun B R. Doped, porous iron oxide films and their optical functions and anodic photocurrents for solar water splitting[J]. Appl Phys Lett, 2011, 98(9): 092 108. DOI:  10.1063/1.3552711.
    [10] Souza F L, Lopes K P, Longo E, et al. The influence of the film thickness of nanostructured α−Fe2O3 on water photooxidation[J]. Phys Chem Chem Phys, 2009, 11: 1 215-1 219. DOI:  10.1039/b811946e.
    [11] Zhang P, Kleiman-shwarsctein A, Hu Y S, et al. Oriented Ti doped hematite thin film as active photoanodes synthesized by facile APCVD[J]. Energy Environ Sci, 2011, 4: 1 020-1 028. DOI:  10.1039/c0ee00656d.
    [12] Kumari S, Singh A P, Sonal, et al. Spray pyrolytically deposited nanoporous Ti4+ doped hematite thin films for efficient photoelectrochemical splitting of water[J]. Int J Hydrogen Energy, 2010, 35(9): 3 985-3 990. DOI:  10.1016/j.ijhydene.2010.01.101.
    [13] Yang T Y, Kang H Y, Jin K, et al. An iron oxide photoanode with hierarchical nanostructure for efficient water oxidation[J]. J Mater Chem A, 2014, 2: 2 297-2 305. DOI:  10.1039/C3TA13830E.
    [14] Wan L J, Wang Z Q, Yang Z S, et al. Seed-mediated hydrothermal synthesis and photoelectrochemical properties of hematite thin films[J]. Chin J Inorg Chem, 2011, 27(4): 747-751.
    [15] Lian X, Yang X, Liu S, et al. Enhanced photoelectrochemical performance of Ti−doped hematite thin films prepared by the sol–gel method[J]. Appl Surf Sci, 2012, 258(7): 2 307-2 311. DOI:  10.1016/j.apsusc.2011.10.001.
    [16] Wang L, Lee C Y, Schmuki P. Ti and Sn co-doped anodic α-Fe2O3 films for efficient water splitting[J]. Electrochem Commun, 2013, 30: 21-25. DOI:  10.1016/j.elecom.2013.01.013.
    [17] 张明龙, 超声喷雾热解制备α−Fe2O3薄膜及其光电化学性质研究[D]. 南京: 南京大学, 2012: 37-42.

    Zhang M L, Photoelectrochemical responses of hematite films deposited by ultrasonic spray pyrolysis[D]. Nanjing: Nanjing University, 2012: 37-42.
    [18] 杜羽庆, 王珍珍, 常志显, 等. F和Co共掺杂羟基磷灰石增强α−Fe2O3光阳极光电催化水氧化的性能研究[J]. 化学研究, 2019, 30(4): 331-337. Du Y Q, Wang Z Z, Chang Z X. Fluorine and cobalt co-doping hydroxyapatite decorated hematite toward enhanced photoelectrochemical water oxidation[J]. Chem Research, 2019, 30(4): 331-337.
    [19] 杨晓玲, 朱以华, 赵寒青, 等. 聚电解质复合膜中原位合成纳米结构氧化铁中空微球并用于释氧光阳极[J]. 功能材料与器件学报, 2009, 15(4): 384-388. DOI:  10.3969/j.issn.1007-4252.2009.04.014. Yang X L, Zhu Y H, Zhao H Q, et al. In situ synthesis of nanoparticles within polyelectrolytes multilayer films to fabricate nanostructured hematite hollow microspheres used for oxygen-evolving photoanode[J]. J Func Mater Devices, 2009, 15(4): 384-388.
    [20] Shangguan P P, Tong S P, Li H L, et al. Enhanced photoelectrochemical oxidation of water over undoped and Ti−doped α−Fe2O3 electrodes by electrochemical reduction pretreatment[J]. RSC Adv, 2013, 3: 10 163-10 167. DOI:  10.1039/c3ra41439f.
    [21] Luo W J, Li Z S, Yu T. Effects of surface electrochemical pretreatment on the photoelectrochemical performance of Mo-doped BiVO4[J]. J Phys Chem C, 2012, 116(8): 5 076-5 081. DOI:  10.1021/jp210207q.
    [22] 万丽娟, 张丽, 杨明. 电化学表面处理和Ti掺杂制备高光电化学性能的Fe2O3光阳极[J]. 四川大学学报: 自然科学版, 2018, 55(5): 1 083-1 090. Wan L J, Zhang L, Yang M. Synthesis of Fe2O3 photoanode with improved photoelectrochemical performance by surface electrochemical pretreatment and Ti-doping[J]. J Sichuan Univ: Nat Sci Ed, 2018, 55(5): 1 083-1 090.
    [23] Liu Y, Wang D P, Yu Y X, et al. Preparation and photoelectrochemical properties of functional carbon nanotubes and Ti co−doped Fe2O3 thin films[J]. Int J Hydrogen Energy, 2012, 37(12): 9 566-9 575. DOI:  10.1016/j.ijhydene.2012.03.118.
    [24] Luo W J, Yang Z S, Li Z S, et al. Solar hydrogen generation from seawater with a modified BiVO4 photoanode[J]. Energy Environ Sci, 2011, 4: 4 046-4 051. DOI:  10.1039/c1ee01812d.
  • [1] 罗康碧李春梅向兰李沪萍宁平 . 石膏性质对半水硫酸钙晶须形貌的影响. 云南大学学报(自然科学版), 2010, 32(2): 213-216, .
    [2] 李荡李远勋张杨常飞 . N、Pt共掺杂三维海胆型TiO2制备及光电性能研究. 云南大学学报(自然科学版), 2019, 41(3): 537-544. doi: 10.7540/j.ynu.20180263
    [3] 张艳丽方静华王家强鲍慈光 . 新型介孔分子筛Sr-MCM-41的合成及其吸附性能的研究. 云南大学学报(自然科学版), 2005, 27(4): 357-360.
    [4] 刘文武涂学炎王伟张世鸿潘媛 . 电催化氧化法处理亚麻废水的研究. 云南大学学报(自然科学版), 2006, 28(3): 251-256.
    [5] 马迅殷艳飞王浩雅向海英 . Fenton氧化法去除造纸法再造烟叶废水COD的研究. 云南大学学报(自然科学版), 2014, 36(3): 418-422. doi: 10.7540/j.ynu.20130682
    [6] 蔡玲刘超许戈文黄毅萍胡金艮林向进 . 正交法研究不同因素对SF/PU复合水凝胶抗压性能的影响. 云南大学学报(自然科学版), 2015, 37(4): 577-584. doi: 10.7540/j.ynu.20150079
    [7] 卞龙春赵云昆蒋峰芝袁波王继亮 . 拟薄水铝石制备的中孔氧化铝的热稳定性研究. 云南大学学报(自然科学版), 2013, 35(6): 797-801. doi: 10.7540/j.ynu.20130382
    [8] 王艳霞丁琨周汝良 . 基于地形、水热指标的陆地生物多样性富集度评估——以云南为例. 云南大学学报(自然科学版), 2017, 39(3): 481-493. doi: 10.7540/j.ynu.20160333
    [9] 王洁毕晓伊许晓毅孙珮石张锦菊王海玉邹平 . 微波辅助催化氧化法在水处理中的应用. 云南大学学报(自然科学版), 2013, 35(S1): 286-288. doi: 10.7540/j.ynu.20130057
    [10] 杨明华徐安士张遥郭磊 . 光突发交换及其服务质量分析. 云南大学学报(自然科学版), 2002, 24(5): 350-353.
    [11] 陈畅张晓燕和永寿 . 冷却囚禁原子的基本方法——磁光阱. 云南大学学报(自然科学版), 2003, 25(5): 416-418422.
    [12] 焦红虹周浩方淇 . 基于光流场的时间分段网络行为识别. 云南大学学报(自然科学版), 2019, 41(1): 36-45. doi: 10.7540/j.ynu.20170750
    [13] 林澎李强宋昱璇潘学军 . 三氯化铁吸附沉淀三价砷的影响因素研究. 云南大学学报(自然科学版), 2015, 37(5): 758-765. doi: 10.7540/j.ynu.20150211
    [14] 陈辉曹敏 . 光温协同影响光敏性先锋草本粽叶芦的种子萌发. 云南大学学报(自然科学版), 2013, 35(S1): 108-112. doi: 10.7540/j.ynu.2013a20
    [15] . 光激励下的半导体纳米材料中杂质对超声的吸收研究. 云南大学学报(自然科学版), 2013, 35(1): 45-50. doi: 10.7540/j.ynu.2012.12146
    [16] 赵金丽马友鑫李红梅刘文俊 . 滇中地区路旁紫茎泽兰在不同光水平下的分布格局. 云南大学学报(自然科学版), 2008, 30(6): 641-645.
    [17] 黄丹丹杨华李晓燕姚然张士秀张晓平肖雨 . LED补光对温室内大豆光合特性及产量的影响. 云南大学学报(自然科学版), 2016, 38(6): 965-973. doi: 10.7540/j.ynu.20150837
    [18] 本刊编辑部 . 我校张喜光教授研究论文在《NATURE》上发表. 云南大学学报(自然科学版), 2007, 29(6): 632-632.
    [19] 周曙白陈洛恩张力戴宏马力 . Blazar天体光变时标的结构函数研究. 云南大学学报(自然科学版), 2005, 27(6): 485-491.
    [20] 赵霞马晓年丁中涛曹秋娥 . 锌试剂-蛋白质体系的共振光散射光谱研究. 云南大学学报(自然科学版), 2007, 29(5): 496-500.
  • 加载中
图(8)
计量
  • 文章访问数:  228
  • HTML全文浏览量:  174
  • PDF下载量:  7
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-29
  • 录用日期:  2020-01-19
  • 网络出版日期:  2020-02-10
  • 刊出日期:  2020-03-01

水热法和电化学表面处理制备高性能Fe2O3光阳极

    通讯作者: 万丽娟, bartty_ym@163.com
  • 1. 南京交通职业技术学院 节能减排中心,江苏 南京 211188
  • 2. 江苏省交通节能减排工程技术研究中心,江苏 南京 211188
  • 3. 东南大学 交通学院,江苏 南京 210096

摘要: 通过水热的方法合成了α−Fe2O3光电极. 通过X射线衍射(XRD)、紫外−可见(UV−vis)吸收光谱、扫描电镜(SEM)对α−Fe2O3光阳极进行表征,并对α−Fe2O3光阳极进行了光电化学性能表征. 为了提高α−Fe2O3光阳极的光电性能,对制备α−Fe2O3光阳极的条件进行了优化. 光电化学测试的结果表明:电化学表面处理能够提高α−Fe2O3光阳极的光电化学性能,并分析了α−Fe2O3光阳极光电性能增加的机理. 电化学表面处理有利于光生空穴传递并且减少了电子−空穴对的复合几率,从而提高了α−Fe2O3光阳极的光电性能.

English Abstract

  • 自从Fujishima等通过光电解水实现氢的制备以来[1],光催化技术受到越来越多的关注,并且能够作为一种有潜力解决能源和环境问题的清洁且可再生方法[2-3]. TiO2作为一种传统的半导体光催化剂已被广泛研究,但是,由于TiO2是宽带隙半导体(带隙为3.2 eV),仅有一小部分的太阳光谱能被TiO2利用. 因此,光电极材料的光响应范围向可见光移动以及提高其量子效率对光电极能够广泛应用十分重要[4]. 由于金属氧化物材料具有可见光响应的性质,因此窄带隙的金属氧化物材料被人们广泛用作光电极的研究材料[5-6]. 由于α−Fe2O3具有带隙窄、无毒、价格低廉、矿藏丰富以及电化学稳定等优势,所以带隙为2.0~2.2 eV的α−Fe2O3越来越受到研究者的关注[7]. 但是,目前报道的α−Fe2O3光电极的水分解效率还比较低,这是由于电子−空穴复合速率较快等导致.

    为了降低电子−空穴复合速率、改善α−Fe2O3的电子传输性质,并实现较高的光电化学性能以期实现其大规模应用,合适的制备方法对于α−Fe2O3也很关键. 近期,研究者们报道了多种合成方法来制备α−Fe2O3光电极,例如:原子层沉积(ALD)[8]、脉冲激光沉积(PLD)[9]、旋涂法[10]、原子层化学沉积(APCVD)[11]、磁控溅射[7]、喷雾−热裂解沉积(SPD)[12]、水热法[13-14]、溶胶−凝胶法[15]、电沉积法[16]、超声喷雾热裂解(USP)[17]等等. 在这些合成方法中,水热法由于其操作简单、样品的结晶性好的优势而成为一种合成α−Fe2O3光电极并提高其光电化学性能的简易的方法.

    此外,还有一些方法可以提高光电极的光电化学性能,例如:表面修饰、掺杂改性及形成复合型光电极[18]、形貌调控[19]等. 近年来,通过移除光电极的表面复合中心,非光照下电化学循环伏安(CV)法预期可以成为提高光电极的光电化学性能的通用的方法[20-21]. 在我们的前期研究工作中[22],利用金属有机物的热分解(700 ℃)方法制备了氧化铁光电极,并利用掺杂和电化学表面预处理方法提高其光电性能. 而利用更简易的合成方法制备氧化铁光电极更有利于进一步实现光电极的大范围实际应用. 为此,本文从α−Fe2O3光电极的制备方法优化方向上出发,采用了具有操作简单、样品的结晶性好等优势的水热合成方法制备了α−Fe2O3光电极,并通过优化α−Fe2O3光电极的制备条件提高其光电化学性能,与利用金属有机物的热分解方法制备的氧化铁光电极[22]相比较,相同测试条件下(0.1 V)其光电性能提高了10 %,而且其制备方法更简单温和,通过水热合成方法制备的α−Fe2O3光电极有更好的应用前景. 经过电化学表面处理后的α−Fe2O3光电极显示出较高的光电化学性能,本文对其机理进行了分析.

    • 文中所用实验试剂为FeCl3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、乙醇(Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd.). 所用试剂为分析纯级. 三嵌段聚合物Pluronic P123(EO20PO70EO20)是Aldrich公司生产且没有进一步纯化而直接使用.

    • 将F掺杂氧化锡涂层玻璃(FTO)浸渍在硝酸铁的乙醇溶液中并烘干,重复3次,在500 ℃焙烧4 h后将其放入50 mL的Teflon内衬不锈钢反应釜底部. 将FeCl3·6H2O(1.621 7 g)和0.4 g表面活性剂(P123)溶解在去离子水(30 mL)中形成反应溶液后,将其转移至不锈钢反应釜中. 然后将反应釜密封、进行加热. 当反应结束且反应釜温度降至室温后,用去离子水和无水乙醇冲洗制备好的α−Fe2O3薄膜样品.

    • 合成样品的晶相和取向通过X射线衍射仪进行测定(XRD;Shimadzu 6000),Cu Kα辐射(λ=0.154 nm,40 kV,40 mA),扫速为10°/min. 紫外−可见(UV−vis)光吸收谱通过紫外−可见漫反射光谱仪(Lambda 750S, Perkin−Elmer)进行测试,利用Kubelka−Munk方法转换成吸收谱. 样品的带隙通过方程αhv=A(hvEg)n/2计算,其中α、vAEg分别代表吸收系数、光频率、比例常数和带隙,n等于1或4,取决于其迁移是直接的还是间接的. 这里n = 1,因为α−Fe2O3是直接带隙半导体. 样品的形貌通过场发射扫描电镜(FESEM,JEOL JSM−7600F,加速电压为20 kV)测定.

    • 利用三电极体系(PCI4/300™恒电位仪配PHE200™软件,Gamry Electronic Instruments公司)对制备的薄膜样品进行光电化学性质测试. 其中,制备的薄膜样品作为工作电极,Ag/AgCl电极作为参比电极,高纯度Pt片作为对电极. 水氧化光电流在1 mol/L KOH水溶液中进行测试,扫速为20 mV·s−1. 在样品的光电化学性质测试前,对样品进行电化学预处理[20]. 对所制备的样品在非光照条件下,1 mol/L KOH水溶液中进行循环伏安扫描30个循环. 循环伏安扫描的速率为20 mV·s−1,还原电位为−1.1 V. 太阳光模拟器(HAL−320, Asahi Spectra Co., Ltd.)作为光电化学测试的光源. 遮罩辐照的面积为0.28 cm2,且从所制备的样品的前方进行光照(电解质/半导体界面).

    • 通过水热方法制备的Fe2O3薄膜光电极样品的XRD图见图1. 从图1中可以观察到Fe2O3样品与α−Fe2O3的结构一致(PDF#33−0664). 而且,除了FTO玻璃基底的衍射峰没有观察到其它杂相的衍射峰. XRD图中较强的衍射峰强度说明结晶性好的α−Fe2O3薄膜通过水热方法可以成功制备.

      图  1  水热法在180 ℃加热2 h制备的Fe2O3薄膜的XRD图,“*”代表FTO衍射峰

      Figure 1.  XRD pattern of Fe2O3 film prepared through hydrothermal method and heated at 180 ℃ for 2 h, and “*” represent FTO’s diffraction peaks

      α−Fe2O3薄膜样品的光吸收通过紫外−可见吸收光谱测试,测试结果见图2. 从图2中可以看出α−Fe2O3薄膜显示宽吸收,而且α−Fe2O3薄膜对可见光具有良好的吸收,这种可见光吸收是由于Fe3+ 3d−3d自旋禁带跃迁激发[23]. α−Fe2O3薄膜样品的吸收边在604 nm处,并且样品的带隙为2.05 eV.

      图  2  水热法制备的α−Fe2O3薄膜的UV−vis吸收光谱图

      Figure 2.  The UV−vis absorption spectrum of α−Fe2O3 film prepared by hydrothermal method

      α−Fe2O3薄膜样品的SEM图如图3. 从SEM图中可以看出α−Fe2O3薄膜是一个致密的薄膜,没有明显的裂痕出现,这也说明利用水热方法可以制备出致密的α−Fe2O3薄膜样品. 图3显示α−Fe2O3薄膜具有平面结构,而且α−Fe2O3薄膜显示出即使在刮薄膜作用下仍然与FTO基底有强烈的粘合性质.

      图  3  水热法制备的α−Fe2O3薄膜的扫描电镜(SEM)图

      Figure 3.  SEM image of the surface of α−Fe2O3 film prepared by hydrothermal method

      α−Fe2O3薄膜光电极样品在表面预处理之前和之后的光电流曲线见图4. 从图4中可以看出,相对于未经电化学预处理的α−Fe2O3薄膜光电极,电化学预处理后的光电极样品显示出明显的光电流增强,在0.4 V vs. Ag/AgCl,电化学预处理使得α−Fe2O3薄膜光电极是未处理光电极光电流的1.3倍. 这可能是由于电化学还原预处理可以促进光生空穴转移和降低载流子的复合[20],电化学预处理也是一种有效的增强α−Fe2O3薄膜光电极的光电流的方法.

      图  4  在180 ℃加热2 h制备的α−Fe2O3样品的光电流曲线图

      Figure 4.  Photocurrent curves of the α−Fe2O3 sample prepared at 180 ℃ for 2 h

      研究了水热反应温度对α−Fe2O3薄膜光电极样品的光电化学性能的影响. 不同焙烧温度下制备的α−Fe2O3薄膜光电极的光电流曲线见图5. 测试结果表明当水热反应温度从160 ℃增加到180 ℃时,光电流明显增加,这可能是由于样品的结晶度增加. 而200 ℃水热合成的α−Fe2O3薄膜光电极样品的光电流低于180 ℃水热合成的样品,光电流的降低可能是由于高的水热反应温度导致更大的晶粒尺寸从而使光生载流子更容易复合.

      图  5  不同水热温度加热2 h制备的α−Fe2O3样品的光电流曲线图

      Figure 5.  Photocurrent curves of α−Fe2O3 samples prepared at different hydrothermal temperatures for 2 h

      研究了水热反应时间对α−Fe2O3薄膜光电极样品的光电化学性质的影响. 在180 ℃进行不同反应时间水热反应制备的α−Fe2O3薄膜光电极样品的光电流曲线见图6. 当水热反应时间从2 h增加到3 h,样品的光电流明显降低. α−Fe2O3样品的晶粒尺寸随着水热反应时间的增加而增大,这可能导致光生载流子更容易复合. 因此,合适的水热反应温度和时间是获得高光电化学性能的关键因素.

      图  6  在180 ℃加热不同时间制备的α−Fe2O3样品的光电流曲线图

      Figure 6.  Photocurrent curves of α−Fe2O3 samples prepared at 180 ℃ for different time

      光电极的光电化学稳定性是衡量光电化学池是否能实现实际应用的一个关键因素. 电化学表面预处理后的α−Fe2O3薄膜光电极样品在1 mol/L KOH水溶液中的计时电流测试(σt)曲线见图7. α−Fe2O3薄膜光电极样品的光面电流密度最初约为0.039 mA·cm−2,经过120 min光照后降为约0.032 mA·cm−2,极低的表面腐蚀可能会引起光电流的下降[24]. α−Fe2O3薄膜光电极经120 min光照后光电流仅降低到82 %,这说明α−Fe2O3薄膜光电极在1 mol/L KOH水溶液中光照120 min是稳定的. 图8显示α−Fe2O3薄膜光电极样品120 min光照前后的XRD图,从图8可以看出α−Fe2O3薄膜光电极样品经过光照是稳定的,而光照后光电流的降低可能是由于光电极表面一些氧化物种或极低的表面腐蚀.

      图  7  α−Fe2O3样品的计时电流(σt)曲线图,测试条件:1 mol/L KOH水溶液,AM 1.5 G太阳光模拟器(Oriel 92251A−1000),三电极体系,电势:0.15 V vs. Ag/AgCl

      Figure 7.  Chronoamperometry (σt) curve of α−Fe2O3 sample electrode in a 1 mol/L KOH aqueous solution; a AM 1.5 G sunlight simulator (Oriel 92251A−1000), a three-electrode system, the potential: 0.15 V vs. Ag/AgCl

      图  8  光照前后的α−Fe2O3样品的XRD图,测试条件:1 mol/L KOH水溶液,电势:0.15 V vs. Ag/AgCl

      Figure 8.  XRD patterns of the α−Fe2O3 sample in a 1 mol/L KOH aqueous solution, potential: 0.15 V vs. Ag/AgCl

    • 本文利用水热方法制备了α−Fe2O3薄膜光电极. 通过优化制备条件来提高α−Fe2O3薄膜光电极的光电化学性能. 在180 ℃反应2 h所制备的α−Fe2O3薄膜光电极样品的光电化学性能最高. 电化学表面预处理能够提高α−Fe2O3薄膜光电极的光电化学性能,这是由于其促进了光生空穴的转移以及降低了电子−空穴复合几率.

参考文献 (24)

目录

    /

    返回文章
    返回