[发明专利]一种新型的铁酸锌与钴掺杂锌铟硫异质结的新型光电催化剂材料以及制备方法

说明书

本发明公开了一种新型的铁酸锌与钴掺杂锌铟硫异质结的新型光电催化剂材料以及制备方法。实验通过精准有序的一次水热、滴涂、溶剂热和二次水热的方法，制备得到铁酸锌与钴掺杂锌铟硫异质结光电催化剂材料。该异质结的制备方法为：首先，采用去离子水、氯化铁、硝酸钠混合进行水热法制备羟基氧化铁；然后，在基底上滴涂定量配比溶剂溶解的硝酸锌溶液，进行干燥、烧结和氢氧化钠浸泡得到铁酸锌基底；然后，采用氯化锌、氯化铟、硫代乙酰胺、硝酸钴混合进行乙醇溶剂热制备钴掺杂的锌铟硫薄膜；最后，通过水热法负载一层钴铁氧钝化层。铁酸锌负载钴掺杂锌铟硫薄膜后形成的异质结，与普通的铁酸锌相比，具有性能优异，抗光腐蚀性能优异以及性能稳定等显著优点。

技术领域

本发明属于光电催化材料化学领域，具体涉及一种新型的铁酸锌与钴掺杂锌铟硫异质结的新型光电催化剂材料以及制备方法。

背景技术

传统的化石能源由于大量无节制的开采而导致资源短缺，同时其具有不可再生的特点，并且容易造成相应的环境污染。氢能是一种清洁无污染、资源储量丰富、能量密度高的优质新型能源。关于氢能的研究分为析氢反应和析氧反应，其中析氧反应广泛应用于纯净氧气、氢能中间体、杀菌消毒设备光电材料以及污染物降解材料的制备与研究过程中。光催化析氧反应发生于材料的表面，往往催化效率不高，需要克服溶液以及外电路电阻等阻力，需要较大的过电势。光电催化通过施加偏压，可有效实现电子和空穴的分离，提高光电转化效率。因此，开发具有可见光活性的新型的光电催化剂已经成为一项重要的研究课题。

本发明的基底铁酸锌材料按照现有技术“Xiaodi Zhu,Néstor Guijarro,Yongpeng Liu,Pascal Schouwink,Rebekah A.Wells,Florian Le Formal,Song Sun,ChenGao,and Kevin Sivula,Spinel Structural Disorder Influences Solar-Water-Splitting Performance of ZnFe₂O₄ Nanorod Photoanodes,Adv.Mater.2018,1801612”的制备方案来进行参考制作，由于加热煅烧苛刻的实验细节，光电催化性能仅有0.4毫安/平方厘米，加以改进，探索最佳溶剂比例和煅烧气氛后，性能也仅为0.55毫安/平方厘米，但是本发明在铁酸锌基底的基础上，创造性地沉积了一层钴掺杂的锌铟硫薄膜，形成异质结，使得光电催化性能提升到1.05毫安/平方厘米，进一步地，在异质结的基础上，沉积了钴铁氧钝化层，使得性能提升到1.494毫安/平方厘米，较现有技术铁酸锌为基底的系列研究的最高性能，提升了42.28％。

公布号CN104350606B的专利公布了一种用于光电薄层太阳能电池的多层背电极及其用于制造薄层太阳能电池和模块的应用、包含多层背电极的光电薄层太阳能电池和模块及其制造方法。这种薄膜太阳能电池在半导体吸收层与前电极之间存在至少一个缓冲层，成分有锌、铟、硫、铬等元素。半导体吸收层可以是或包括四元黄铜矿层、五元黄铜矿层、尤其是锌黄锡矿层。CN104350606B专利与本发明专利的第二层钴掺杂的锌铟硫的纳米片化学元素成分相似，但是物质截然不同。本发明专利以铁酸锌一维纳米棒为基底，然后沉积一层钴掺杂的锌铟硫二维纳米片，形成一维和二维异质结，然后沉积一层钴铁氧钝化层；合成方法为水热法和溶剂热法相结合，与物理气相沉积和化学气相沉积大有不同；同时本发明专利的应用场景和技术检测数据主要运用于光电催化制氧领域，与CN104350606B专利的太阳能电池领域有较大不同。

公布号CN112542592B的专利公布了一种杂原子掺杂钴钼双元金属碳化物纳米复合材料及其制备方法和应用。这种杂原子掺杂钴钼双元金属碳化物纳米复合材料在碱性中具有高效氢氧化反应催化活性，具有在阴离子交换膜燃料电池阳极中应用的潜力，对推动新型燃料电池发展具有一定的积极作用。CN112542592B专利与本发明专利的第二层钴掺杂的锌铟硫的纳米片的掺杂化学元素成分相近，但是化学物质截然不同，同时本发明专利的应用场景和技术检测数据主要运用于光电催化制氧领域，与CN112542592B专利的燃料电池领域有较大不同。