[发明专利]一种Ti-Mo共掺杂三氧化钨光电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ti-Mo共掺杂WO₃光电极的制备方法，该合成产物能够吸收足够的太阳光以提高PEC(太阳能光电化学)水解制氢过程中太阳能的转换效率。

背景技术

随着经济的飞速发展，化石燃料日益枯竭以及由CO₂含量增加引起的全球变暖等问题引起了越来越多的关注，因此，可再生能源的开发和应用显得尤为重要。而氢被认为是一种最有效的可再生能源，也是一种可代替化石燃料的清洁能源，能很大程度降低环境污染和破坏。目前氢气的工业生产主要是通过天然气(甲烷)的蒸汽重整实现，然而，甲烷蒸汽的重整会产生大量的温室气体，增加地球大气的负担。PEC水解制氢是从阳光和水直接生产氢气的一种方法，该方法绿色清洁，被认为是制备燃料氢气最有前途的方法，此外，PEC水解制氢同时也是一种节能经济的方法，因为它可以在单一的设备中同时进行光采集和电解。进一步研究发现，氧化物半导体是PEC水解制氢的一种高效方法，因为这些材料合成简单，价格低廉，且在水溶液中非常稳定。但高效的PEC水解制氢半导体材料必须满足一定的要求，如高可见光吸收率、有效的载流子分离效果以及材料的化学稳定性等。

WO₃是一种能捕获大约12％太阳光谱的间接带隙半导体材料，正是因为其带隙特征，WO₃被认为是比TiO₂更适合于PEC水解制氢的材料。在PEC水解制氢装置中，WO₃光电阳极具有约4.8％的理论最大能量转换效率。此外，WO₃光电阳极具有耐光腐蚀、在酸性水溶液中稳定、适度的孔扩散长度以及良好的电子传输性能等优点。尽管有这些优点，但WO₃因其带隙仅吸收少部分入射的阳光，无法充分体现其优势，因此，需要采取一定的措施对其带隙进行修改(使带隙变窄)，使WO₃吸收足够的太阳光以提高PEC水解制氢的效率。

掺杂是修改电子带结构和增强WO₃的PEC水解制氢性能的有效方法，有报道发现，在WO₃中掺杂金属如Ti，Zn，Dy，Te，Ta，V，Cu，Ag，Ce，Mg，Mo和Ni等能提高PEC性能。其中，掺杂Mo可以缩小其带隙而改善光催化性能，原因是Mo的离子半径接近于钨的离子半径，使Mo能有效的并入钨晶格。此外，用Mo等元素掺杂WO₃不会产生电荷失配问题，限制了阴离子或阳离子空位的形成，而Ti则是一种公认且优良的光催化元素，因此，提出用Ti和Mo共掺杂WO₃，进一步提高PEC水解制氢效率。

公开号为CN 105199730 A的中国专利提供了一种制备稀土掺杂氧化钨纳米结构薄膜的方法，该方法以钨粉和稀土氧化物(氧化铕、氧化铈等)的混合物为原材料，首先用传统的热蒸发法在石英、硅片、陶瓷等耐高温衬底上生长薄膜，再进行退火处理得到稀土掺杂的氧化钨纳米薄膜。该方法利用稀土进行掺杂，考虑其成本，稀土较贵，不经济廉价，且该方法中只用了一种金属钨进行掺杂，所制备的成品效果不佳。公开号为CN 105597734 A的中国专利提供了一种钼掺杂三氧化钨光催化材料的制备方法及该材料的应用，该光催化材料由钨和钼酸盐通过一次水热法合成，步骤如下：将钨酸盐和钼酸盐加入到硝酸溶液中，充分搅拌后置于水热釜内加热，产物经过洗涤干燥即可得到。该方法只经过一次水热合成，未指明材料的稳定性，不能保证后续的循环使用。200910097218.2中国专利通过光沉积的方法将铂负载到三氧化钨的表面，虽然提高了三氧化钨的光催化活性，然而铂是贵金属，所以掺杂方法成本太高，不利于大范围内的应用。

发明内容

发明目的：为避免上述现有技术中的不足，本发明提供一种Ti-Mo共掺杂WO₃光电极的制备方法，提高了PEC水解制氢过程中太阳能的转换效率。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出的Ti-Mo共掺杂WO₃光电极的制备方法包括如下步骤：

(1)将一定量的钨酸盐不断搅拌溶解于去离子水中

(2)向该溶液中缓慢加入浓盐酸，并剧烈搅拌一段时间，得到钨酸的黄色溶液

(3)加入过氧化氢，进一步搅拌，得到稳定的过氧钨酸透明溶液

(4)将适量的TiCl₄溶解于透明溶液中，混合搅拌

(5)将钼酸铵四水合物加入到该溶液中，继续搅拌，得到用于合成的溶液

(6)将待合成溶液填充到装载聚四氟乙烯内衬的水热釜中