專利名稱：一種提高納米氧化鐵薄膜光電性能的電化學方法
技術領域：
本發明涉及對薄膜材料的表面改性，特別是采用電化學的方法對納米氧化鐵光電薄膜材料的改性。
背景技術：
21世紀能源和環境依然是人類面臨的兩大難題。隨著人類對能源需求的不斷增大，人們開始把化石、煤炭等不可再生能源轉向清潔、高效的新能源。自1972年日本的Fujishima和Honda報道了單晶TiO2電極在紫外光照射下能持續發生水的氧化還原反應產氫氣，標志著光催化在太陽能的轉化和利用方面取得開拓性的進展。半導體光電材料的優點在于:實現能源轉化僅需要光、催化劑、水等，不會帶來二次環境污染及潛在的危害。α -氧化鐵薄膜材料是一種N型半導體材料，它材料易得，成本低廉，穩定性好，耐污染力強，它的價帶寬度為2.2 eV，與太陽光的峰值接近，對可見光有較強的吸收，有報道說，其可以吸收40%的可見光。氧化鐵電極存在的問題主要是OER反應速率緩慢和較低的電荷傳輸效率，以及光電復合的問題。為了解決電荷傳輸的問題現在主要從以下兩個方面進行研究:一、改變電極的表面形貌，盡可能的減小納米顆粒的尺寸和晶粒的方向，盡可能的縮短電荷從產生到電極表面的距離，這樣可以有效的減少電子和空穴的復合。二、通過在電極中摻入其它的元素來提高載流子的密度，提高電極的光電化學性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種操作簡單，可控制性強，成本低廉的提高納米氧化鐵薄膜光電性能的電化學方法。本發明的提高納米 氧化鐵薄膜光電性能的電化學方法，包括如下步驟:
1)依次用乙醇、丙酮和去離子水超聲清洗基體ITO導電玻璃，氮氣干燥；
2)按每3.24 g的FeCl3.6H20，加入200 ml乙醇，0.4 ml鈦酸丁酯，0.13 ml鹽酸，混合均勻，制得FeCl3膠體；
3)在上述ITO導電玻璃上旋涂FeCl3膠體，然后將涂有膠體的ITO導電玻璃放入馬弗爐中，于350°C焙燒5 min,按照上述方法重復旋涂、焙燒數次，最后一次在550°C焙燒4h，得到納米氧化鐵薄膜；
4)將Fe(III)的化合物、三乙醇胺和氫氧化鈉充分溶解于去離子水中，得到電解液，使電解液中Fe (III)的濃度為0.05 0.09 mol/L，三乙醇胺的濃度為0.1 mol/L,氫氧化鈉的濃度為2 mol/L ；
5)將經步驟3)處理的納米氧化鐵薄膜放入步驟4)配置的電解液中，以納米氧化鐵薄膜為工作電極，鉬電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，加-0.6 V -1.0 V電壓，進行電化學表面處理30 s 120 S。本發明中，所述的Fe(III)的化合物可以是？6(勵3)^6(:13.6!120或？62(504)3。納米氧化鐵薄膜的厚度可通過重復旋涂和焙燒的次數來控制。
本發明方法設備簡單，可操作性強，成本低廉，環境友好，清潔無污染，能極大的提高納米氧化鐵的光電性能，有望在半導體光伏及光分解水領域得到應用。
圖1是電化學表面處理不同時間下的納米氧化鐵薄膜的光電性能。圖中:曲線(I)為電化學表面處理前的暗態電流；曲線(2)為加-0.8 V電壓，電化學表面處理60 s后的暗態電流；曲線(3)為電化學化學表面處理前的光電流；曲線(4)加-0.8 V電壓，電化學表面處理30 s后的光電流；曲線(5)為加-0.8 V電壓，電化學表面處理60 s后的光電流；曲線(6)為加-0.8 V電壓，電化學表面處理120 s后的光電流。圖2是電化學表面處理不同電壓下的納米氧化鐵薄膜的光電性能。圖中:曲線(I)為電化學表面處理前的暗態電流；曲線(2)為加-0.8 V電壓，電化學表面處理60 s后的暗態電流；曲線(3)為電化學化學表面處理前的光電流；曲線(4)為加-0.6 V電壓，電化學表面處理60 s后的光電流；曲線(5)為加-0.8 V電壓，電化學表面處理60 s后的光電流；曲線(6)為加-1.0 V電壓，電化學表面處理60 s后的光電流；
具體實施方式
:
以下結合實施例進一步說明本發明。實施例1
1)依次用乙醇、丙酮和去離子水超聲清洗基體ITO導電玻璃，氮氣干燥；
2)稱取3.24 g的FeCl3.6H20轉移到試劑瓶中，加入200 ml乙醇，0.4 ml鈦酸丁酯，
0.13 ml鹽酸，混合均勻，制得FeCl3膠體；
3)將上述ITO導電玻璃放到勻膠機上，用膠頭滴管滴加0.5 ml的FeCl3膠體，在轉速I 600 R/min和轉速II 1800 R/min分別旋轉6 s和10 S，待旋轉結束后，將ITO導電玻璃取下，放入馬弗爐中，于350°C焙燒5 min后取出。按照上述方法重復旋涂焙燒8次，最后一次于550°C焙燒4 h，然后自然冷卻，得到納米氧化鐵薄膜；
4)采用濃度為Imol/L NaOH水溶液作為電解液，將經步驟3)處理的納米氧化鐵薄膜放入電解液中，以納米氧化鐵薄膜為工作電極，鉬電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，用上海辰華儀器公司的電化學工作站CHI630C進行光電性能測試。測得電化學表面處理前的暗態電流，見圖1中的曲線(I)和圖2中的曲線(I)。在步驟4)中再加光源為GY-12型高壓球形氙燈(λ >420 nm，光強為22.93 mffcm_2)照射，得到電化學表面處理前的光電流，見圖1中的曲線(3)和圖2中的曲線(3)。實施例2
1)依次用乙醇、丙酮和去離子水超聲清洗基體ITO導電玻璃，氮氣干燥；
2)稱取3.24 g的FeCl3.6H20轉移到試劑瓶中，加入200 ml乙醇，0.4 ml鈦酸丁酯，
0.13 ml鹽酸，混合均勻，制得FeCl3膠體；
3)將上述ITO導電玻璃放到勻膠機上，用膠頭滴管滴加0.5ml的FeClJ交體，在轉速I600 R/min和轉速II 1800 R/min分別旋轉6 s和10 S，待旋轉結束后，將ITO導電玻璃取下，放入馬弗爐中，于350°C焙燒5 min后取出。按照上述方法重復旋涂焙燒8次，最后一次于550°C焙燒4 h，然后自然冷卻，得到納米氧化鐵薄膜；
4)將FeCl3.6H20、三乙醇胺和氫氧化鈉充分溶解于去離子水中，得到電解液，使電解液中FeCl3.6H20的濃度為0.09 mol/L，三乙醇胺的濃度為0.1 mol/L，氫氧化鈉的濃度為2mol/L ；
5)將經步驟3)處理的納米氧化鐵薄膜放入步驟4)配置的電解液中，以納米氧化鐵薄膜為工作電極，鉬電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，加-0.8 V電壓，進行電化學表面處理30 S。加光源為GY-12型高壓球形氙燈(λ >420 nm，光強為22.93 mff cm—2)照射，用上海辰華儀器公司的電化學工作站CHI630C進行光電性能測試。測試結果見圖1中的曲線(4)，即加-0.8 V電壓，電化學表面處理30 s后的光電流。實施例3
方法同實例2，區別在于步驟5)進行電化學表面處理60 S。加光源為GY-12型高壓球形氙燈(λ >420 nm，光強為22.93 mff cm—2)照射，用上海辰華儀器公司的電化學工作站CHI630C進行光電性能測試。測試結果見圖1中的曲線(5)和圖2中的曲線(5)，即加-0.8 V電壓，電化學表面處理60 s后的光電流。不加光源照射，用上海辰華儀器公司的電化學工作站CHI630C進行光電性能測試。測試結果見圖1中的曲線(2)和圖2中的曲線(2)，即加-0.8 V電壓，電化學表面處理60 s后的暗態電流。實施例4
方法同實例2，區別在于步驟5)進行電化學`表面處理120 S。加光源為GY-12型高壓球形氙燈(λ >420 nm,光強為22.93 mff cm—2)照射，用上海辰華儀器公司的電化學工作站CHI630C進行光電性能測試。測試結果見圖1中的曲線(6)，即加-0.8 V電壓，電化學表面處理120 s后的光電流。從圖1可見，經過電化學表面處理前后，納米氧化鐵薄膜的暗態電流基本不變。經過電化學表面處理后，納米氧化鐵薄膜的光電性能有顯著的提高，即光電流明顯增大；并且電化學表面處理60 s后，納米氧化鐵薄膜的光電性能達到最強，即光電流達到最大。實施例5
方法同實例2，區別在于步驟5)加-0.6 V電壓，進行電化學表面處理60 s ；
加光源為GY-12型高壓球形氙燈(λ >420 nm，光強為22.93 mff cm_2)照射，用上海辰華儀器公司的電化學工作站CHI630C進行光電性能測試。測試結果見圖2中曲線(4)，即加-0.6 V電壓,進行電化學表面處理60 s后的光電流。實施例6
方法同實例2，區別在于步驟5)加-1.0V電壓，進行電化學表面處理60 s；
加光源為GY-12型高壓球形氙燈(λ >420 nm，光強為22.93 mff cm_2)照射，用上海辰華儀器公司的電化學工作站CHI630C進行光電性能測試。測試結果見圖2中曲線(6)，即加-1.0V電壓,進行電化學表面處理60 s后的光電流。從圖2可見，經過電化學表面處理后，納米氧化鐵薄膜的光電性能有顯著的提高，即光電流明顯增大；并且加不同的電壓影響其光電性能。當加-0.8 V時其光電性能達到最大，即光電流最大。
權利要求
1.一種提高納米氧化鐵薄膜光電性能的電化學方法，其特征在于包括如下步驟: 1)依次用乙醇、丙酮和去離子水超聲清洗基體ITO導電玻璃，氮氣干燥； 2)按每3.24 g的FeCl3.6H20，加入200 ml乙醇，0.4 ml鈦酸丁酯，0.13 ml鹽酸，混合均勻，制得FeCl3膠體； 3)在上述ITO導電玻璃上旋涂FeCl3膠體，然后將涂有膠體的ITO導電玻璃放入馬弗爐中，于350°C焙燒5 min,按照上述方法重復旋涂、焙燒數次，最后一次在550°C焙燒4h，得到納米氧化鐵薄膜； 4)將Fe(III)的化合物、三乙醇胺和氫氧化鈉充分溶解于去離子水中，得到電解液，使電解液中Fe (III)的濃度為0.05 0.09 mol/L，三乙醇胺的濃度為0.1 mol/L,氫氧化鈉的濃度為2 mol/L ； 5)將經步驟3)處理的納米氧化鐵薄膜放入步驟4)配置的電解液中，以納米氧化鐵薄膜為工作電極，鉬電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，加-0.6 V -1.0 V電壓，進行電化學表面處理30 s 120 S。
2.根據權利I要求所述的提高納米氧化鐵薄膜光電性能的電化學方法，其特征在于所述的 Fe (III)的化合物是 Fe (NO3) 3、FeCl3.6H20 或 Fe2 (SO4) 3。
全文摘要
本發明涉及提高納米氧化鐵薄膜光電性能的電化學方法，步驟包括將用FeCl3.6H2O、乙醇、鈦酸丁酯和鹽酸配制的FeCl3膠體旋涂在清潔的ITO導電玻璃上，經過焙燒，得到納米氧化鐵薄膜；將Fe(Ⅲ)的化合物、三乙醇胺和氫氧化鈉配制成電解液；將納米氧化鐵薄膜放入電解液中，以納米氧化鐵薄膜為工作電極，鉑電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，外加-0.6V～-1.0V電壓，進行電化學表面處理30s～120s。該方法設備簡單，可操作性強，成本低廉，環境友好，清潔無污染，能極大的提高納米氧化鐵的光電性能，有望在半導體光伏及光分解水領域得到應用。
文檔編號C23C20/08GK103184443SQ20131009212
公開日2013年7月3日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者朱紅喬, 李想, 李海麗, 冷文華 申請人:浙江大學