[发明专利]一种碳化钛-氧化铁复合膜的制备方法及其应用

说明书

本发明属于光电化学技术领域，涉及一种碳化钛‑氧化铁复合膜的制备方法及其应用。制备方法包括步骤1，选择性剥离其中的Al原子，制备出二维Ti₃C₂纳米片；步骤2，TiO₂/Ti₃C₂的制备；步骤3，导电基底FTO上制备Ti₃C₂导电层；步骤4，氧化铁膜生长：步骤5，碳化钛‑氧化铁复合膜成品，制得的碳化钛‑氧化铁复合膜应用于光电催化分解水系统。该种方法是在导电基底FTO上制备Ti₃C₂导电层和在导电层上生长氧化铁膜，实现了导电层的简单、高效制备，且得到的碳化钛‑氧化铁复合膜具有优异的光电化学性能，显著提升了体内光生载流子分离效率。

技术领域

本发明属于光电化学技术领域，具体涉及一种碳化钛-氧化铁复合膜的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，由于能源的需求量不断地增加，传统的能源已经不能满足人类的需求，对环境的污染也愈发严重。太阳能是一种清洁，可持续的能源，在诸多的太阳能转化技术中，光电化学(PEC)分解水制氢系统被认为是一种具有很大潜力的一种转化技术。自1972年日本东京大学Fujishima和Honda报道TiO₂能在紫外光的照射下出现光电效应以来，人们发现α-Fe₂O₃是能够成为理想的半导体材料之一。α-Fe₂O₃具有2.1eV的带隙以及对太阳能的理论吸收率达到了16.8％，是一种优良的光阳极材料。α-Fe₂O₃的理论电流密度为12.6mA cm^-2，但是报道的α-Fe₂O₃光电流密度远低于此值，主要是由于其电导率低，吸光系数低，电子-空穴复合严重和光生载流子存活时间短等，限制了其光电性能。

2011年，Lin等人(Lin Y,Zhou S,Sheehan S W,et al.Nanonet-based hematiteheteronanostructures for efficient solar water splitting[J].Journal of theAmerican Chemical Society,2011,133(8):2398-2401.)报道了在化学气相沉积的纳米网状金属硅化物TiSi₂上通过原子层沉积法合成了25nm厚的α-Fe₂O₃薄膜，在1.23V(vs.RHE)下光电流达到1.6mA cm^-2，在400nm光照下内量子效率达到46％，是到目前为止纯α-Fe₂O₃光阳极达到的最优值。主要原因是TiSi₂具有优异的电子电导率(10μΩcm)可快速传输光生电子，以及薄的α-Fe₂O₃膜有利于减小光生空穴扩散距离，从而增加了α-Fe₂O₃光阳极的PEC分解水性能。但是该体系中使用的化学气相沉积和原子层沉积对设备要求高、经济效益低、不适用于工业化。到目前为止α-Fe₂O₃光阳极最大光电流是从n-Si/α-Fe₂O₃核/壳纳米线阵列获得，主要是由于n-Si/α-Fe₂O₃异质结有利于光生载流子的分离(Qi X,She G,Huang X,etal.High-performance n-Si/α-Fe₂O₃ core/shell nanowire array photoanode towardsphotoelectrochemical water splitting[J].Nanoscale,2014,6(6):3182-3189.)。该体系中，Si纳米线是在硅片上进行化学刻蚀获得，其成本高，且污染性较大，不适合工业化。

发明内容