[发明专利]一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极及其制备方法和应用，属于功能材料技术领域。本发明的制备方法包括以下步骤：将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液；将基底浸没于混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β‑FeOOH的基底；将负载有β‑FeOOH的基底在300～500℃条件下进行煅烧，得到负载有α‑Fe₂O₃的基底；将可溶性钴盐溶液滴涂在负载有α‑Fe₂O₃的基底的表面，干燥后浸没于碱性溶液中进行第二沉淀反应，得到氧化铁/羟基氧化钴复合光电极。本发明在低温条件下焙烧制备得到α‑Fe₂O₃，能耗低，通过引入CoOOH可以激活惰性的α‑Fe₂O₃，使其具有较好的光电催化水分解活性。

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，尤其涉及一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极及其制备方法和应用。

背景技术

太阳能是一种清洁和可再生的自然资源，其中，光电化学水分解产氢提供了将太阳能转换为化学能的可持续途径。然而，由于弱的光吸收、快速的电荷复合和缓慢的界面电荷转移，大多数半导体光电极的太阳能转化为化学能的效率仍不高。例如，广泛使用的TiO₂光电阳极只能吸收仅占总太阳光谱4％的紫外线。另外，电子-空穴复合发生在飞秒到纳秒的时间尺度上，而界面氧析出反应发生在微秒到秒的数量级，且氧析出反应涉及四个电子和四个质子的转移。因此，半导体光电催化水分解产氢的效率依然较低。为了提高太阳能到化学能的转换效率，需要开发具有宽光谱吸收、高化学稳定性以及高析氧反应活性的光电极材料。

α-Fe₂O₃又称赤铁矿，是目前最具应用潜力的光阳极材料之一，其带隙在1.9～2.2eV范围，理论上太阳光转换为氢能的效率高达6％，光电流密度甚至可达12mA/cm²；且其储量丰富，在光电化学水分解中具有良好的稳定性、低成本和良好的太阳光谱响应等优势。然而，α-Fe₂O₃自身也存在一些缺陷，例如电荷传输差、表面复合严重、电荷转移动力学缓慢，极大地限制了其实际应用。为了提升其活性，人们尝试了多种制备方法，其中在FTO导电玻璃基底上采用水热法制备α-Fe₂O₃纳米棒是目前应用最为广泛的制备方法。但是，采用该方法制备的α-Fe₂O₃基本上都需要在750℃及以上的高温条件下煅烧，否则制备出的α-Fe₂O₃在光照下不产生光电流(可能是因为结晶性差，载流子易复合，导致表面反应无法发生)。很明显，该方法制备过程能耗高，不利于实际推广应用。因此，如何降低α-Fe₂O₃制备过程的煅烧温度，同时使低温煅烧下的α-Fe₂O₃具有光电催化水分解活性，是目前亟待解决的一个关键难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极及其制备方法和应用，本发明在低温条件下焙烧制备得到α-Fe₂O₃，能耗低，通过引入CoOOH可以激活惰性的α-Fe₂O₃，使其具有较好的光电催化水分解活性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种氧化铁/羟基氧化钴复合光电极的制备方法，包括以下步骤：

将可溶性铁盐、尿素和水混合，得到混合反应液；

将基底浸没于所述混合反应液中，加热进行第一沉淀反应，得到负载有β-FeOOH的基底；

将所述负载有β-FeOOH的基底在300～500℃条件下进行煅烧，得到负载有α-Fe₂O₃的基底；