一种氧化铁纳米带阵列薄膜的制备方法与流程

本发明涉及一种氧化铁纳米带阵列薄膜的制备方法，属无机功能材料制备及应用的技术领域。

背景技术

21世纪以来，能源短缺和环境恶化两大问题逐渐引起人们的重视，因为它们已成为制约人类进步和社会发展的两大危机；由于光解水制氢体系能将不稳定的太阳能以氢能的形式储存起来，既提高了太阳能和水能的利用率，又可以产生清洁可再生的氢能源，使其成为解决能源短缺和环境恶化两大危机的理想选择；α-氧化铁纳米材料以其资源丰富、价格低廉、光催化稳定性好以及带隙合适等优点成为最具潜力的光解水材料；由于导电性差，空穴扩散长度短，具有较高的过电势缺点，限制了它的大规模应用；为了改善α-氧化铁光解水的性能，需要提高α-氧化铁的导电性，增加α-氧化铁的空穴扩散长度，降低α-氧化铁的过电势等；目前提高α-氧化铁光电催化分解水性能的方法主要有掺杂、形貌控制、构建异质结和表面修饰等方法；纳米带状的结构能够加速电子-空穴的传输，同时也增加了氧化铁的吸光效率；氧空穴的自掺杂可以有效地增加氧化铁载流子的浓度，提高它的导电性，显著提高氧化铁的光电流密度，同时降低氧化铁的起始电压，此制备氧空位高度有序氧化铁纳米带阵列是改善氧化铁光电性能的一种非常有效的手段，此技术还在科学研究中。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，采用直接热氧化法在金属铁基底上制备预氧化层；以氯化钯、乙二醇、聚乙烯吡咯酮烷为原料，用水热法制成钯纳米颗粒溶液，将钯纳米颗粒溶液旋涂于预氧化层上，将旋涂有钯纳米颗粒的铁片置于惰性气体保护中热处理，制备出氧空位高度有序的氧化铁纳米带阵列薄膜，增加氧化铁的载流子浓度，提高氧化铁的光催化降解有机物和光电化学分解水的性能。

技术方案

本发明使用的化学物质为：乙二醇、氯化钯、聚乙烯吡咯酮烷、盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水、氢氧化钠、铁片、氩气、铝箔；其组合准备用量如下：以克、毫升、毫米、厘米³为计量单位

制备方法如下：

(1)直接热氧化法制备预氧化层

①清洗铁片

将铁片用400目砂纸打磨至光亮；

将铁片置于烧杯中，加入丙酮50ml，浸泡清洗20min，清洗后晾干；

将晾干的铁片置于另一烧杯中，加入无水乙醇50ml，浸泡清洗20min，清洗后晾干；

②热处理

将铁片置于热处理炉中，密闭；开启加热器，加热温度250℃，保温30min，然后随炉冷却至25℃，在铁片上生成氧化铁薄膜；

(2)制备类球状钯纳米颗粒溶液

用水热法制备类球状钯纳米颗粒溶液，以氯钯酸为原料，乙二醇为还原剂，聚乙烯吡咯酮烷为稳定剂；

①配制氯钯酸水溶液

在水浴锅中进行；

称取氯化钯0.053g±0.001g，量取去离子水9.95ml±0.001ml、盐酸0.05ml±0.001ml，加入烧杯中搅拌，并将烧杯置于水浴锅中，制成0.03mol/l的氯钯酸水溶液；

②配制聚乙烯吡咯酮烷水溶液

称取聚乙烯吡咯酮烷0.167g±0.001g，量取去离子水10ml±0.001ml，加入另一烧杯中搅拌15min，制成0.15mol/l的聚乙烯吡咯酮烷水溶液；

③配制氢氧化钠水溶液

称取氢氧化钠0.16g±0.001g，量取去离子水20ml±0.001ml，加入烧杯中搅拌10min，制成0.2mol/l的氢氧化钠水溶液；

④制备类球状钯纳米颗粒溶液

量取聚乙烯吡咯酮烷水溶液10ml±0.001ml、乙二醇8ml±0.001ml加入烧杯中，水浴加热90℃，搅拌15min；

量取氯钯酸水溶液10ml±0.001ml，滴入上述反应液中，水浴反应1h，用氢氧化钠水溶液调节溶液ph为7.5；

离心分离洗涤

将烧杯中的反应液加入丙酮100ml，成洗涤液；将洗涤液加入离心机的离心管内，进行离心分离，分离转速9000r/min，分离时间20min；分离后，留存沉淀物，弃去洗涤液；

将沉淀物置于无水乙醇50ml中，成二次洗涤液，将二次洗涤液加入离心机的离心管内，进行离心分离，分离转速9000r/min，分离时间20min；分离后，留存沉淀物，弃去洗涤液；

将沉淀物分散到无水乙醇20ml中，成类球状钯纳米颗粒溶液，密封保存待用；

(3)在预氧化层上旋涂钯纳米颗粒

①先将预氧化后的铁片用导电胶粘到抛光机的中心部位，取类球状钯纳米颗粒溶液0.5ml，均匀地滴在铁片上；

②开启抛光机，调节抛光转速为100r/min，旋转10min，酒精蒸发，样品表面干燥，关闭抛光机；

③将样品取下，密封保存待用；

(4)热处理退火制备氧化铁纳米带阵列

氧化铁纳米带阵列的热处理是在热处理炉中进行的，是在空气环境、铝箔包裹、加热状态下完成的；

①将旋涂类球状钯纳米颗粒溶液的铁片置于坩埚内，用铝箔将氧化铝坩埚包裹；

然后置于热处理炉中，打开进气阀与出气阀；

开启加热器，加热温度500℃，恒温保温时间300min；

②热处理后停止加热，使氧化铁纳米带阵列薄膜随炉冷却至25℃；

③热处理后，开炉，取出氧化铁纳米带阵列薄膜，即为终产物；

(5)检测、分析、表征

对制备的氧化铁纳米带阵列薄膜的形貌、成分、结构、物理化学性能进行检测、分析、表征；

用扫描电子显微镜对氧化铁纳米带阵列进行形貌分析；

用x射线衍射仪对氧化铁纳米带阵列进行物相分析；

用扫描电子显微镜配带的能谱仪对氧化铁纳米带阵列进行微区元素成分分析；

用透射电子显微镜对氧化铁纳米带阵列进行结构分析；

结论：氧化铁纳米带阵列薄膜为黑色膜状，氧化铁纳米带长度≤9μm、宽度≤180nm，纳米带为氧化铁单晶结构，氧空位列间距为1.57nm；

(6)产物储存

制备的氧化铁纳米带阵列薄膜储存于棕色透明玻璃容器中，密闭避光储存，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对氧化铁纳米带阵列薄膜制备难的情况，而进行的试验，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制备的氧空位高度有序氧化铁纳米带阵列薄膜，纳米带长度≤9μm，宽度≤180nm，可在光催化降解有机物和光电催化制氢中使用，是先进的制备氧化铁纳米带薄膜的方法。

附图说明

图1、旋涂制备钯纳米颗粒薄膜状态图

图2、氧化铁纳米带阵列铝箔包裹的大气环境下热处理状态图

图3、氧化铁纳米带阵列真空热处理状态图

图4、氧化铁纳米带阵列薄膜形貌图

图5、氧化铁纳米带阵列薄膜x射线衍射强度图谱

图6、氧化铁纳米带阵列薄膜微区元素成分分析图

图7、氧化铁纳米带高分辨透射电镜图

图8、氧化铁纳米带透射电镜图

图中所示、附图标记清单如下：

1.抛光机，2.转速控制器，3.第一电源开关，4.第一显示屏，5.预氧化铁片，6.转盘，7.第一电控箱，8.第二显示屏，9.热处理炉，10.第一加热温度控制器，11.第二电源开关，12.第一指示灯，13.氧化铁纳米带阵列薄膜，14.第一氧化铝坩埚，15.出气管，16.第一出气管阀，17.第一炉盖，18.空气，19.进气管阀，20.进气管，21.铝箔，22.第一工作台，23.第二电控箱，24.第三显示屏，25.第二指示灯，26.第三电源开关，27.第二加热温度控制器，28.真空泵控制器，29.真空热处理炉，30.第二炉盖，31.第二出气管阀，32.第二工作台，33.第二氧化铝坩埚，34.氧化铁纳米带阵列薄膜，35.氩气瓶，36.氩气阀，37.氩气管，38.氩气，39.真空泵，40.真空阀，41.真空管，42.导线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为旋涂制备钯纳米颗粒薄膜状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。

制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米³为计量单位。

制备钯纳米颗粒薄膜是在抛光机上进行的，是以纯铁片预氧化层薄膜为基底，钯纳米颗粒酒精溶液为旋涂液，在预氧化层上涂覆钯纳米颗粒溶液，生成钯纳米颗粒薄膜；

转盘6为圆形，转盘6下部为抛光机1，在抛光机1上设有第一显示屏4、第一电源开关3、转速控制器2；在转盘6上部中心位置粘贴有预氧化铁片5。

图2所示，为氧化铁纳米带阵列铝箔包裹的大气环境下热处理状态图，各部位置、连接关系要正确，按序操作。

氧化铁纳米带阵列的热处理是在热处理炉中进行的，是在大气环境、铝箔包裹、加热状态下完成的；

热处理炉9为立式矩形，热处理炉9上部为第一炉盖17，下部为第一电控箱7；热处理炉9内底部设有第一工作台22，在第一工作台22上部放置第一氧化铝坩埚14，第一氧化铝坩埚14内置放氧化铁纳米带阵列薄膜13，放置有氧化铁纳米带阵列薄膜13的第一氧化铝坩埚14外部用铝箔21包裹；在热处理炉9右上部设有出气管15和第一出气管阀16；在热处理炉9左部设有进气管20和进气管阀19，保证炉内空气18流动；在第一电控箱7上设有第二显示屏8、第一指示灯12、第二电源开关11、第一加热温度控制器10。

图3所示，为氧化铁纳米带阵列惰性气体保护下热处理状态图，各部位置、连接关系要正确，按序操作。

氧化铁纳米带阵列的热处理是在真空热处理炉中进行的，是在抽真空、输氩气、加热状态下完成的；

真空热处理炉29为立式矩形，真空热处理炉29上部为第二炉盖30，下部为第二电控箱23；真空热处理炉29内底部设有第二工作台32，在第二工作台32上部放置第二氧化铝坩埚33，第二氧化铝坩埚33内置放氧化铁纳米带阵列薄膜34；在真空热处理炉29右上部设有第二出气管阀31；在真空热处理炉29左部设有氩气瓶35，氩气瓶35上部设有氩气阀36、氩气管37，并向真空热处理炉29内输入氩气38；在真空热处理炉29右部设有真空泵39，真空泵39上部设有真空阀40、真空管41，并连通真空热处理炉29炉腔；在第二电控箱23上设有第三显示屏24、第二指示灯25、第三电源开关26、第二加热温度控制器27、真空泵控制器28；第二电控箱23通过导线42与真空泵39连接。

图4所示，氧化铁纳米带阵列薄膜形貌图，图中所示，左图为氧化铁纳米带阵列薄膜的平面图，右图为氧化铁纳米带阵列薄膜的截面图，氧化铁纳米带阵列均匀致密，纳米带长度≤9μm、宽度≤180nm。

图5所示，为氧化铁纳米带阵列薄膜x射线衍射强度图谱，图中所示，纵坐标为衍射强度，横坐标为衍射角，图中可见，氧化铁存在且方向强度最高，说明纳米带沿方向定向生长，未出现钯纳米颗粒衍射峰是由于钯纳米颗粒淹没在纳米带阵列中强度低。

图6所示，为氧化铁纳米带阵列薄膜微区元素成分分析图，图中所示，纵坐标为x射线光子计数量，横坐标为x射线光子能量，图中可见，所制备的氧化铁纳米带阵列薄膜中有钯元素的存在。

图7所示，为氧化铁纳米带高分辨透射电镜图，图中所示，纳米带为氧化铁单晶结构，纳米带沿方向生长；氧空位沿方向有序生长且在[110]方向上每四个原子面出现一层氧空位列，氧空位间距为1.57nm。

图8所示，为氧化铁纳米带透射电镜图，图中所示，纳米带长度为9μm、宽度为180nm。

实施例1：

氧化铁纳米带阵列的热处理是在真空热处理炉中进行的，是在抽真空、输氩气、加热状态下完成的；

①清洁真空热处理炉

打开真空热处理炉，用氩气驱除炉内有害气体，使炉内洁净；

②将旋涂类球状钯纳米颗粒溶液的铁片置于坩埚内，然后置于真空热处理炉中，密闭；

抽取炉内空气，使炉内压强达2pa；

向炉内输入氩气，氩气输入速度100cm³/min，使炉内压强恒定在0.101mpa；

开启加热器，加热温度500℃，恒温保温时间300min；

③热处理后停止加热，停止输氩气，使氧化铁纳米带阵列薄膜随炉冷却至25℃；

④热处理后，开炉，取出氧化铁纳米带阵列薄膜，即为终产物。