[发明专利]一种有机金属卤化物钙钛矿光阳极的制备方法

说明书

本发明提供一种具有优异稳定性的有机金属卤化物钙钛矿光阳极的制备方法。所制备的钙钛矿光阳极可用于光电化学分解水产氧。该光阳极以钙钛矿材料为主体，并将商用的导电碳浆和导电银浆用丝网印刷的方法封装在外层以保护钙钛矿免受电解液侵蚀。在无其他助催化剂的辅助下，该光阳极表现出良好的分解水产氧能力并有超长的稳定性。本发明提供的有机金属卤化物钙钛矿光阳极制备方法简单，成本低廉，并易于大面积操作，有效的将钙钛矿材料的优异光伏性能应用于光电催化分解水中，适用于新型高性能光电催化光阳极的开发和生产。

发明人：许林陶然

技术领域

本发明属于光电催化技术领域，涉及一种有机金属卤化物钙钛矿光阳极的制备方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日益加剧，开发利用清洁新能源受到了全世界的广泛关注。光电催化分解水技术作为太阳能利用的主要手段之一，可以将目前最丰富的能源太阳能直接转化为清洁能源氢能，为人类利用太阳能缓解能源危机和环境污染问题提供了可能性。然而历经了四十余年的努力，光电催化分解水技术的太阳能转化效率仍然较低，达不到大规模产业化的程度，这主要是由于该技术手段的核心组成部件半导体材料在光电催化分解水应用方面存在着诸多缺点。开发利用光催化稳定性好、太阳光响应范围宽、光生电子-空穴对分离和传输效率高以及表面水分解反应动力学快速的半导体催化剂材料是解决这些问题的关键因素。

近些年，新一代半导体材料——有机金属卤化物钙钛矿(CH₃NH₃PbX₃,X＝Cl,Br,I)因其具有窄带隙，高光吸收系数，双极性载流子传输性质，较长的载流子传输距离等优点而备受关注。尤其是以钙钛矿材料为光敏剂的太阳能电池更是取得了迅猛的发展，在全世界光伏领域掀起了巨大的研究浪潮。但是CH₃NH₃PbX₃遇水即分解的缺点使得其优异的光伏性能在光电催化分解水领域难以应用，因此，如何使CH₃NH₃PbX₃光电极直接浸入电解液中进行光电催化分解水成为现如今的一大难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以在水中稳定工作的有机金属卤化物钙钛矿光阳极的制备方法，此法克服了钙钛矿难以作为光电极在光电催化分解水领域应用的技术难题。应用此种方法可使得光阳极在无其他催化剂辅助下，在对应可逆氢电极的1.23V处获得12.4mA/cm²的稳定光电流。其中钙钛矿的化学式为：(5-AVA)_x(MA)_1-xPbI₃，5-AVA为5-氨基戊酸，化学式为： NH₂(CH₂)₄CO₂H；MA为甲胺阳离子，化学式为：CH₃NH₃⁺。

本发明提供的钙钛矿光阳极可通过如下方法制备：

(一)介孔骨架的合成：

以FTO导电玻璃作为电极基底，首先用去离子水、丙酮、乙醇分别对FTO进行超声清洗，后在FTO上旋涂浓度为0.3mol/L的钛酸四异丙酯的乙醇溶液(转速为2500rpm，时间为60s)，后放入马弗炉450℃烧结30分钟形成TiO₂致密层。在TiO₂致密层上丝网印刷一层TiO₂介孔层(丝印浆料为：P25：松油醇＝1：16；丝印网板孔径为300目)，后在马弗炉中450℃烧结30分钟。然后在TiO₂介孔层上依次丝网印刷介孔ZrO₂层和介孔碳层(ZrO₂浆料为：纳米ZrO₂：乙基纤维素：松油醇＝2：1：10；丝印ZrO₂层网板孔径为300目；碳层浆料为：8000 目石墨粉：纳米碳粉：乙基纤维素：松油醇＝4：1：16)，后在马弗炉中400℃烧结30分钟。