一种用于光电催化水分解的CuBi2O4/CdO光电阴极的制备方法

本发明涉及一种用于光电催化水分解的cubi2o4/cdo光电阴极的制备方法，属于光电化学。

背景技术：

1、随着人类的技术发展与进步，能源和环境问题日益突出并且严重影响着人类的健康与发展。解决能源和环境问题的一种可行方法是寻找一种无污染，可持续的新型能源。氢能具有无污染，可持续，热值高等优势，正是一种完全符合人们期望的优质能源。氢能在具有巨大优势的同时也有一些问题亟需解决，例如制备成本高，运输困难等，在制备方面一种可行的解决方法是光电化学(pec)分解水制氢。这种方法既降低了制备氢能的成本，又大大减少了对环境的污染。而在光电化学中，大部分实现pec水分解的研究集中在光电阳极材料，但是只有少数基于金属氧化物的光电阴极被研究。实现太阳光高效率转化为氢能的一个常见策略是将一个具有更正起始电位的窄带隙光电阴极与一个具有互补光吸收的半导体光电极组合成串联电池全分解水产氢。因此，如何寻找低成本，带隙结构合适且具有更正起始电位的半导体光电阴极材料仍然是一个挑战。

2、对于光电阴极材料的选择有以下标准：①具有合适的带隙。材料的带隙需要足够小来保证能够吸收更多的太阳光，同时带隙的位置需要合适，来保证光电催化水分解的过程能够发生；②材料需要有良好的稳定性，可以在光电化学的过程中稳定的发挥作用；③材料需要无毒无害；④材料需要廉价易得，从而降低氢能制备的成本。cubi2o4作为一种p型半导体，用作光阴极时表现出一些有吸引力的特性。包括：cubi2o4具有相对较窄的带隙(在1.5～1.8e v之间)，并且cubi2o4的导带位于比水还原电位更负的电位，价带位于比水氧化电位更正的电位，这使cubi2o4可以更好地发挥光电催化的作用。同时，cubi2o4的材料也具有无毒无害，廉价易得的特点。但是cubi2o4也具有一些缺点，例如稳定性较差，载流子迁移率低，光生电子空穴复合率高等。

3、因此，如何以简单且廉价的方式获得具有更高光电转换效率和光电稳定性的cubi2o4光电阴极仍然是一个挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种用于光电催化水分解的cubi2o4/cdo光电阴极的制备方法。

2、发明概述：

3、本发明通过电沉积结合cvd处理的方法，制备了具有高结晶性的cubi2o4光电阴极，在制备过程中，cdo颗粒被负载到cubi2o4光电阴极的表面，构成了cubi2o4/cdo异质结，在fto玻璃上得到了负载cdo颗粒的cubi2o4电极，使得cubi2o4光电阴极具有更好的性能。负载cdo颗粒的cubi2o4电极首先材料颜色发生了改变，使得材料的光吸收性能有较高的提升，其次cubi2o4/cdo异质结的构成大大提高了载流子的转移速率，并且降低了电子和空穴的复合率，同时材料的光腐蚀情况得到了极大的改善，大大提高了材料在工作环境中的稳定性。本发明成功制得了高效绿色光电催化材料，为氢能的制备和应用方面提供了一条新的思路。

4、术语说明：

5、fto玻璃：掺杂氟的sno2透明导电玻璃。

6、cvd：化学气相沉积(cvd)是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法。

7、本发明是通过如下技术方案实现的：

8、一种用于光电催化水分解的cubi2o4/cdo光电阴极的制备方法，包括步骤如下：

9、1)提供一基底，进行预处理；

10、2)配制电沉积前驱体溶液：将铋源、铜源、镉源、kclo4加入二甲基亚砜中溶解，混合均匀，得到电沉积前驱体溶液；

11、3)将电沉积前驱体溶液加入电沉积槽中，以步骤(1)预处理的基底为工作电极，铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，组成三电极体系，进行电沉积；电极间距为1-10cm，外加偏压为-1～-3v，沉积电荷保持在0.01～0.05ccm-2，重复沉积；电沉积结束后，得到负有前体材料的基底；

12、4)负有前体材料的基底在室温下干燥，然后置于马弗炉中，退火2-6小时，得到cubi2o4/cdo光电阴极。

13、根据本发明优选的，步骤1)中，所述基底为fto玻璃基底。

14、根据本发明优选的，步骤1)中，预处理为：将基底依次浸泡在丙酮、异丙醇、去离子水中各超声处理20-40分钟，然后将基底在室温下的n2气氛中干燥。

15、根据本发明优选的，步骤2)中，所述铋源为bi(no3)3﹒5(h2o)。

16、根据本发明优选的，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中铋源浓度为8-15mm。

17、最为优选的，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中铋源浓度为10mm。

18、根据本发明优选的，步骤2)中，所述铜源为cu(no3)2﹒3h2o。

19、根据本发明优选的，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中铜源浓度为3-6mm。

20、最为优选的，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中铜源浓度为5mm。

21、根据本发明优选的，步骤2)中，所述镉源为cd(no3)2﹒4h2o。

22、根据本发明优选的，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中镉源浓度为0.5-3mm。

23、最为优选的，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中镉源浓度为1mm。

24、根据本发明优选的，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中kclo4浓度为80-120mm。

25、根据本发明优选的，步骤3)中，外加偏压为-1.5v，沉积电荷保持在0.04ccm-2。

26、根据本发明优选的，步骤3)中，电沉积重复8-12次，电沉积过程在每次沉积之间暂停5秒钟。

27、根据本发明优选的，步骤4)中，退火温度为450-580℃。

28、最为优选的，步骤4)中，退火温度为500℃，退火时间为3h。

29、本发明的技术特点及有益效果如下：

30、1、本发明通过简单的电沉积结合cvd的方法，制备了cubi2o4/cdo光电阴极，cdo颗粒被负载到cubi2o4光电阴极的表面，构成了cubi2o4/cdo异质结，在fto玻璃上得到了负载cdo颗粒的cubi2o4电极，使得cubi2o4光电阴极具有更好的性能，并且两种材料之间结合得非常紧密，也使得材料的带隙很好的匹配在一起。

31、2、本发明制备的cubi2o4/cdo光电阴极具有p-n异质结结构，这个结构大大提高了材料的光生电子空穴转移效率，并且降低了电子和空穴的复合作用，同时，材料的载流子迁移速率也得到了很大的提高。

32、3、本发明制备的cubi2o4/cdo光电阴极的稳定性得到了很大的提升，使得材料的使用寿命增长，成本降低，为日后工业化生产奠定了良好的基础。

技术特征：

1.一种用于光电催化水分解的cubi2o4/cdo光电阴极的制备方法，包括步骤如下：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述基底为fto玻璃基底，预处理为：将基底依次浸泡在丙酮、异丙醇、去离子水中各超声处理20-40分钟，然后将基底在室温下的n2气氛中干燥。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述铋源为bi(no3)3﹒5(h2o)。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中铋源浓度为8-15mm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述铜源为cu(no3)2﹒3h2o，电沉积前驱体溶液中铜源浓度为3-6mm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述镉源为cd(no3)2﹒4h2o。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中镉源浓度为0.5-3mm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，电沉积前驱体溶液中kclo4浓度为80-120mm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，外加偏压为-1.5v，沉积电荷保持在0.04ccm-2，电沉积重复8-12次，电沉积过程在每次沉积之间暂停5秒钟。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，退火温度为450-580℃。

技术总结
本发明涉及一种用于光电催化水分解的CuBi2O4/CdO光电阴极的制备方法，本发明通过电沉积结合CVD处理的方法，制备了具有高结晶性的CuBi2O4光电阴极，在制备过程中，CdO颗粒被负载到CuBi2O4光电阴极的表面，构成了CuBi2O4/CdO异质结，在FTO玻璃上得到了负载CdO颗粒的CuBi2O4电极，使得CuBi2O4光电阴极具有更好的性能。负载CdO颗粒的CuBi2O4电极首先材料颜色发生了改变，使得材料的光吸收性能有较高的提升，其次CuBi2O4/CdO异质结的构成大大提高了载流子的转移速率，并且降低了电子和空穴的复合率，同时材料的光腐蚀情况得到了极大的改善，大大提高了材料在工作环境中的稳定性。

技术研发人员：舒展,夏玉国
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14