一種WO3納米片陣列薄膜制備方法及其應用研究技術

一種可見光響應的WO3納米片陣列薄膜電極的制備工藝，其包括以下方法步驟：將Na2WO4·2H2O和草酸銨溶于去離子水中，與鹽酸反應得到鎢酸沉淀，鎢酸沉淀與H2O2反應得到過氧鎢酸澄清溶液，于過氧鎢酸溶液中加入還原劑乙醇，并將摻氟氧化錫(FTO)導電玻璃作為基底放入溶液中，在水浴條件下，過氧鎢酸緩慢還原為鎢酸并在FTO薄膜緩慢析出，得到鎢酸薄膜，清洗并干燥后，經煅燒得到所述的WO3納米片陣列薄膜電極。本發(fā)明專利技術具有簡便、溫和、高效且適于大規(guī)模制備的特點，所制備的WO3納米片陣列薄膜電極具有良好的可見光吸收性能和良好的穩(wěn)定性，光電效率高，光電催化降解有機物效果好，能夠應用于光電催化產氫和降解有機物領域，取得更好的效果。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種WO3納米片陣列薄膜制備方法及其應用研究
本專利技術涉及光電催化電極材料，具體涉及一種可見光響應的WO3納米片陣列薄膜光電催化電極的制備工藝，屬于納米材料領域。技術背景基于光電催化技術的太陽光降解有機物和制氫，是一種具有應用前景的新技術。在該技術中，光催化電極的性能直接影響著光電催化體系的效果。因此，光催化電極材料的制備是光電催化領域研究的熱點。目前，普遍認為優(yōu)良的光催化電極所應具備的特點主要有：良好的可見光吸收性能、水溶液中穩(wěn)定、無毒、易于制備和價廉等。在現(xiàn)有的光電催化材料中，WO3因具有良好的可見光吸收性能(帶隙～2.5-2.7eV，可吸收12％的太陽光)、在中性及酸性條件下良好的穩(wěn)定性、無毒等優(yōu)點，以及具有較大的空穴擴散距離(～150nm，大于TiO2的～100nm和Fe2O3的～2-4nm)，而被視為非常具有潛力的光電催化材料。具有納米陣列結構的WO3納米陣列薄膜電極由于有由于具有比顆粒復合薄膜更好的電荷遷移性能以及比致密薄膜更高的比表面積而表現(xiàn)出更高的光電催化性能，因而成為WO3薄膜電極研究的熱點。目前用于制備WO3納米陣列薄膜的方法主要有水熱法、氣相沉積、磁控濺射、陽極氧化等。雖然這些方法都能夠制備出有序的WO3納米陣列薄膜，但是由于這些方法都存在無法適用大規(guī)模制備的缺點，如水熱法需要水熱釜以產生高溫高壓環(huán)境、氣相沉積和磁控濺射需要高真空和復雜的設備以及陽極氧化需要使用價格昂貴的鎢片等。因此，開發(fā)可以適用大規(guī)模制備WO3納米陣列薄膜的方法具有很高的研究價值和實際應用價值。化學浴法是一種簡單的、溫和的和經濟的、且適合大規(guī)模制備的薄膜材料制備工藝。目前報道的采用化學浴法制備的為致密的WO3納米片陣列薄膜(Mater.Res.Bull.2007,42,2025–2031；Mater.Chem.Phys.2007,104,483–487)，其原理是基于鎢酸鹽在弱酸性條件下水解得到復雜的氧化鎢(WOx)薄膜，再經過熱處理得到WO3納米片陣列薄膜。在該過程中由于鎢酸根在弱酸性條件會形成復雜的多鎢酸化合物，將導致制備的薄膜無序且不可控、重現(xiàn)性差、無法制備納米結構薄膜等缺點。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種簡便、可大規(guī)模制備可見光響應的WO3納米片陣列薄膜光電催化電極的制備工藝，使所制備的WO3納米片陣列薄膜電極具有良好的可見光吸收性能、良好的穩(wěn)定性和高光電效率，以取得WO3電極在光電催化產氫和降解有機物方面更好的應用效果。本專利技術是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種可見光響應的WO3納米片陣列薄膜電極的制備工藝，其包括以下方法步驟：1)將0.2～0.6gNa2WO4·2H2O和0.06～0.2g草酸銨溶于30mL去離子水中，加入5～15mL37％的鹽酸得到黃色鎢酸沉淀，攪拌10分鐘后再加入5～10mL37％的H2O2，沉淀溶解并得到澄清的過氧鎢酸溶液，攪拌10分鐘后加入30mL乙醇并再攪拌10分鐘后，以摻氟氧化錫(FTO)導電玻璃作為基底，F(xiàn)TO面朝下斜靠于器壁，于75～95℃下水浴120～220分鐘，并于所述FTO基底上緩慢析出鎢酸，得到均勻的鎢酸薄膜，上述鎢酸薄膜用去離子水沖洗并在50℃左右干燥1h以上；2)將步驟1)中獲得的干燥的鎢酸薄膜于400～550℃溫度熱處理1～6h，自然冷卻之后即得到所述WO3納米片陣列薄膜電極。本專利技術所述的可見光響應的WO3納米片陣列薄膜電極的制備工藝方法具有簡便、溫和、高效的特點，大量實驗數(shù)據表明，所制備的WO3納米片陣列薄膜電極具有良好的可見光吸收性能，良好的穩(wěn)定性和高光電效率，光電催化降解有機物效果好。與現(xiàn)有方法相比，取得了良好的技術效果，具體表現(xiàn)為：(1)本專利技術采用在過量鹽酸的強酸性體系下化學浴沉積的方式制備得到純的鎢酸薄膜，從而克服了現(xiàn)有技術在弱酸性體系沉積復雜氧化鎢薄膜導致薄膜不均一的問題。(2)本專利技術采用的強酸性體系，在將Na2WO4酸化得到鎢酸之后又加入過氧化氫使之成為可溶的過氧鎢酸，再在水浴條件下由弱還原性的乙醇將其緩慢還原而再次析出鎢酸，克服了現(xiàn)有技術中直接水解鎢酸鹽這一過程快速難以控制的難題。(3)本專利技術采用了具有控制鎢酸晶體生長的導向劑草酸銨，草酸銨中的草酸根可以通過氫鍵作用吸附于鎢酸的{010}面，從而使生長的鎢酸具有納米片結構，首次實現(xiàn)了采用化學浴法制備WO3納米陣列薄膜。(4)本專利技術得到的鎢酸薄膜直接生長于FTO導電基底上，克服了傳統(tǒng)水熱法制備納米WO3納米片陣列薄膜需要晶種層的不足，消除了晶種層對電荷傳輸?shù)淖璧K作用，提高了薄膜中光生電荷的遷移性能。(5)本專利技術采用的化學浴法適用于大規(guī)模化制備，克服傳統(tǒng)WO3納米陣列薄膜制備工藝難以實現(xiàn)大規(guī)模制備的不足。(6)本專利技術中制備的WO3納米片陣列薄膜的光電催化性能要優(yōu)于傳統(tǒng)水熱法制備的WO3納米片陣列薄膜。附圖說明圖1是本專利技術的制備工藝示意圖。圖2是實施例1中得到的鎢酸薄膜和WO3納米片陣列薄膜的XRD圖譜。圖3是實施例1中得到的鎢酸薄膜和WO3納米片陣列薄膜的電鏡圖；圖中，A是所得鎢酸薄膜的表面電鏡照片，插入的圖片為其截面電鏡照片；B為熱處理之后得到的WO3納米片陣列薄膜的表面電鏡照片，插入的圖片為其截面電鏡照片；C是鎢酸納米片的透射電鏡圖，插入的是其選區(qū)電子衍射圖；D是WO3納米片的透射電鏡圖，插入的是其選區(qū)電子衍射圖。圖4是實施例1中得到的鎢酸薄膜和WO3納米片陣列薄膜的拉曼(Raman)譜圖。圖5是實施例1中得到的WO3納米片陣列薄膜的紫外-可見光吸收譜。圖6是(A)實施例2和(B)實施例3中得到的WO3納米片陣列薄膜的電鏡圖片。圖7是實施例4中得到的WO3納米片陣列薄膜的伏安曲線。圖8是實施例4中得到的WO3納米片陣列薄膜的光電轉換效率(IPCE)曲線。圖9是實施例4中得到的WO3納米片陣列薄膜的光電流-時間曲線。圖10是實施例5中得到的WO3納米片陣列薄膜于不同降解體系的降解動力學曲線。圖11是實施例5中得到的WO3納米片陣列薄膜在三次重復光電催化降解中的降解曲線。具體實施方式下面結合實施例和附圖對本專利技術作詳細說明，但不應以此限制本專利技術的保護范圍。先請參閱圖1，圖1是本專利技術所述的可見光響應的WO3納米片陣列薄膜電極的制備工藝示意圖，其具體包括以下步驟：1)將0.2～0.6gNa2WO4·2H2O和0.06～0.2g草酸銨溶于30mL去離子水中，加入5～15mL37％的鹽酸得到黃色鎢酸沉淀，攪拌10分鐘后再加入5～10mL37％的H2O2，沉淀溶解并得到澄清的過氧鎢酸溶液，攪拌10分鐘后加入30mL乙醇并再攪拌10分鐘后，以摻氟氧化錫(FTO)導電玻璃作為基底，F(xiàn)TO面朝下斜靠于器壁，于75～95℃下水浴120～220分鐘，并于所述FTO基底上緩慢析出鎢酸，得到均勻的鎢酸薄膜，上述鎢酸薄膜用去離子水沖洗并在50℃左右干燥1h以上；2)將步驟1)中獲得的干燥的鎢酸薄膜于400～550℃溫度熱處理1～6h，自然冷卻之后即得到所述WO3納米片陣列薄膜電極。下面以實施例來具體說明本專利技術的內容。實施例11)將0.4gNa2WO4·2H2O和0.15g草酸銨溶于30mL去離子水中，加入9mL37％的鹽酸得到黃色鎢酸沉淀，攪拌10分鐘后再加入8mL37％的H2O2，沉本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可見光響應的WO3納米片陣列薄膜電極的制備方法，其特征在于，利用Na2WO4在強酸性條件下得到鎢酸，然后將鎢酸與過氧化氫反應形成可溶的過氧鎢酸，再由弱還原性的乙醇將過氧鎢酸緩慢地還原為鎢酸，從而在導電玻璃表面獲得可控有序的鎢酸薄膜，最后該鎢酸薄膜經燒結后得到所述WO3納米片陣列薄膜電極。

【技術特征摘要】
1.一種可見光響應的WO3納米片陣列薄膜電極的制備方法，其特征在于，利用Na2WO4在強酸性條件下得到鎢酸，然后將鎢酸與過氧化氫反應形成可溶的過氧鎢酸，再由弱還原性的乙醇將過氧鎢酸緩慢地還原為鎢酸，從而在導電玻璃表面獲得可控有序的鎢酸薄膜，最后該鎢酸薄膜經燒結后得到所述WO3納米片陣列薄膜電極；所述制備方法包括以下步驟：1)將0.2～0.6gNa2WO4·2H2O和0.06～0.2g草酸銨溶于30mL去離子水中，加入5～15mL37％的鹽酸得到黃色鎢酸沉淀，攪...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：周保學，曾慶意，白晶，李金花，夏麗剛，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31