電化學Fe摻雜增強FTO薄膜的可見光光電化學性能

肖仕清，郝麗華，謝萌陽，馬榮偉，牛振江*

（浙江師范大學物理化學研究所，浙江 金華 321004）

電化學Fe摻雜增強FTO薄膜的可見光光電化學性能

肖仕清，郝麗華，謝萌陽，馬榮偉，牛振江*

（浙江師范大學物理化學研究所，浙江 金華 321004）

通過在FeSO4溶液中將FTO(F摻雜SnO2)導電玻璃電化學陰極極化，隨后在500 °C空氣中熱氧化，制備出對可見光有響應的Fe摻雜FTO薄膜。用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和X射線光電子能譜(XPS)表征了薄膜的形貌、結構和表面特性。在可見光下測試了薄膜在1.0 mol/L NaOH 溶液中零偏壓下的光電流?時間曲線。結果顯示，電化學修飾后的FTO薄膜表面呈納米多孔形貌，薄膜中有1%(原子分數(shù))左右的Fe元素摻雜且存在正交結構SnO2和四方結構SnO2兩種物相。Fe摻雜FTO的光電流密度為0.5 μA/cm2，比無Fe摻雜的FTO薄膜(0.019 μA/cm2)顯著增強。

氟摻雜二氧化錫；鐵摻雜；陰極極化；可見光；光電流

從Fujishima等[1]的開創(chuàng)性工作開始，利用太陽能分解水或降解有機污染物，減少化石燃料的消耗和解決緊迫的環(huán)境問題，已成為世界范圍的研究熱點。開發(fā)各種高性能、低成本的光催化材料，是發(fā)展光催化技術的關鍵之一。

SnO2是n型半導體，在酸堿介質中性質穩(wěn)定，但由于禁帶寬度為3.6 eV，僅能吸收太陽光譜的紫外部分，且其本征的光催化活性很低。通過金屬離子(如Mg[2]、V[3]、Zn[4-5]、W[4]、Cu[6]和Fe[7-10])的摻雜或與其他氧化物(如Fe2O3[11-13]、ZnO[14])的復合，可以有效地提高SnO2材料的光催化性能。F摻雜的SnO2(FTO)薄膜，已被廣泛用作液晶顯示屏和各種太陽能電池、電致變色材料的基底，也被用作許多光電催化材料的導電層[15-18]。而經過強陰極極化處理[19-20]，能增強FTO薄膜的光電化學性能，使FTO薄膜能夠直接用于光電催化反應。

本文通過在FeSO4溶液中對市售的FTO導電玻璃進行陰極極化，再經熱氧化，制備出具有較好光電化學性能的改性FTO薄膜，并通過結構、形貌和表面特性的分析表征，討論了電化學修飾增強FTO薄膜光電化學性能的機理。

1 實驗

1. 1 樣品制備

以市售的FTO導電玻璃(深圳華南湘城科技有限公司，表面方阻為13 ?)為基底，依次用丙酮、無水乙醇超聲清洗20 min，再經超純水清洗后，放入0.1 mol/L FeSO4+ 0.1 mol/L (NH4)2SO4電解液中，以Pt片為陽極，恒電流密度6 mA/cm2陰極極化350 s，兩電極之間的距離固定為2.0 cm。電化學處理后清洗，于空氣氣氛下500 °C恒溫加熱2 h，得到電化學修飾的FTO薄膜(F-FTO)。在0.1 mol/L Na2SO4溶液中以相同電流密度陰極極化和相同熱處理制備的FTO薄膜(C-FTO)與直接進行熱處理的薄膜(A-FTO)分別作為比較和空白樣品。

1. 2 形貌、結構和光學特性表征

通過日本Hitachi S4800掃描電子顯微鏡(SEM)分析薄膜表面形貌。采用荷蘭PANalytical X’pert PRO X射線衍射儀(XRD)分析薄膜的結構。用英國Renishaw inVia激光顯微拉曼光譜儀進行拉曼光譜檢測，激發(fā)波長為532 nm。用美國Thermo Scientific公司的ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀(XPS)分析樣品元素的表面組成和化學狀態(tài)，Al Kα射線(1 486.6 eV)，以樣品表面污染碳(C─H或C─C)C1s的結合能284.8 eV為內標校正電子結合能。通過日本島津XRF-1800型X?熒光光譜儀(XRF)對樣品進行元素定量分析。

1. 3 光電化學性能測試

以FTO薄膜(受光面積1.0 cm2)為工作電極，Pt片為對電極，采用兩電極體系，在1.0 mol/L NaOH溶液中測試樣品在零偏壓下的光電流?時間( j?t)曲線。實驗時每次光照50 s后閉光50 s為一次循環(huán)，同一樣品經過5次循環(huán)以上的測試。所用光源為Xe燈(北京紐比特科技有限公司)，用紫外截止濾光片ZJB380濾去紫外光部分，照射到樣品表面的光強度為100 mW/cm2。

本文所有電化學實驗均在室溫下進行，所用儀器為CHI660C電化學工作站(上海辰華)，所用化學試劑均為分析純，溶液用超純水配制。

2 結果與討論

2. 1 薄膜的光電化學性能

圖1為經過不同處理的FTO薄膜在零偏壓下的j?t曲線。在可見光照射下，未經過電化學陰極極化處理的FTO薄膜(A-FTO)基本沒有產生光電流。而經過在Na2SO4溶液中陰極極化處理的FTO薄膜(C-FTO)和在含F(xiàn)eSO4溶液中陰極極化后的FTO薄膜(F-FTO)都產生了較明顯的陽極光電流，顯示出n型半導體的特性?？梢婈帢O極化顯著增強了FTO的光電流，與文獻的報道[19-20]一致。F-FTO的光電流密度為0.5 μA/cm2，比C-FTO的光電流密度(1.85 × 10?2μA/cm2)大了近26倍，表明在FeSO4溶液中陰極極化處理更能有效提高FTO薄膜的光電化學性能。

圖1 FTO薄膜在可見光下的光電流?時間曲線(1.0 mol/L NaOH，零偏壓)Figure 1 Photocurrent vs. time curves of FTO films in 1 mol/L NaOH electrolyte under visible light and zero bias

堿性溶液中零偏壓下的光電流測試結果表明，電化學改性和修飾能夠顯著增強FTO薄膜在可見光下的光電化學性能。為了探討電化學改性增強FTO薄膜光電化學性能的機理，進一步對不同處理的FTO樣品進行了形貌、結構和表面特性的分析。

2. 2 FTO薄膜的形貌和結構

2. 2. 1 薄膜的形貌

圖2為不同F(xiàn)TO薄膜的表面和截面形貌。從SEM分析結果可見，A-FTO為不規(guī)則的亞微米顆粒形成的致密薄膜，厚度約為500 nm。C-FTO薄膜表面是由大小不一的顆粒堆積成的多孔形貌，一些顆粒的尺寸明顯增大，致密性降低，厚度增加到約600 nm。F-FTO的表面則呈較均勻的納米顆粒堆積成的多孔形貌，截面出現(xiàn)分層，底部為厚度約200 nm的致密層，上部為厚約600 nm的更加疏松的納米多孔結構。

圖2 FTO薄膜的表面和截面微觀形貌Figure 2 Microscopic morphologies of surface and cross-section of FTO films

SEM分析表明，電化學陰極極化處理后，F(xiàn)TO薄膜的表面由致密轉變?yōu)槎嗫?，這是薄膜光電化學性能增強的一個原因。F-FTO的納米多孔形貌明顯提高了薄膜的光電流密度。實驗中也發(fā)現(xiàn)，A-FTO是完全無色透明的，C-FTO呈淺乳白色，F(xiàn)-FTO則呈淺橘黃色。薄膜顏色的變化既改變了薄膜吸收可見光的性質，更利于提高可見光光電化學性能，也揭示了薄膜的顆粒尺寸、結構和組成發(fā)生了相應的變化。實驗結果還表明，在相同的陰極極化條件下，F(xiàn)TO薄膜的形貌變化與溶液中的金屬離子種類(Na+或Fe2+)有關。

2. 2. 2 薄膜的結構

圖3為三種樣品的XRD譜圖。從中可見，A-FTO樣品在2θ為26.45°、33.6°、37.7°、51.6°、54.5°、61.4°和65.5°處有衍射峰，可歸屬于四方結構SnO2的(110)、(101)、(200)、(211)、(220)、(310)和(112)晶面的衍射(JCPDS No.88-0287)。而C-FTO和F-FTO樣品中，原來屬于四方結構的幾個衍射峰的中心位置向高衍射角偏移，而且有所減弱、寬化。峰中心向高衍射角偏移表明衍射晶面距減小，而衍射峰變寬則可能由晶粒細化和晶體內應力增大而引起。

圖3 FTO薄膜的X射線衍射特征Figure 3 XRD patterns of FTO films

更值得注意的是，C-FTO和F-FTO樣品的XRD圖譜中，在2θ為24.3°、29.7°、31.4°、34.0°、35.7°、50.0°、53.1°、58.0°處出現(xiàn)新的弱衍射峰，并且在F-FTO的譜圖中更加明顯。但這些衍射峰不能歸屬于Fe2O3或其他鐵氧化物的衍射。雖然不能完全排除存在正交結構SnO的可能性[21]，但根據(jù)本文實驗條件和文獻的研究結果，可以合理地將這些新的衍射峰歸屬于正交結構SnO2(110)/(111)、(113)、(020)/(021)、(022)/(114)、(023)、(220)、(132)/(223)和(119)晶面的衍射(JCPDS No.78-1063)。一般認為，正交結構的SnO2只能在高壓下存在，但近幾年來已發(fā)現(xiàn)可以在常壓下通過各種不同的途徑制備出正交結構的SnO2[22-26]。溫和條件下形成正交SnO2的原因與氧化物形成過程中產生的內應力有關，尤其是當有摻雜元素(如Mn[27])存在時，摻雜元素引起的結構變形更有利于形成正交結構的SnO2。

筆者課題組[18]曾通過在含Cu2+溶液中陰極沉積后熱氧化的方法在FTO基底上制備Cu2O薄膜，整個過程中都沒有發(fā)現(xiàn)FTO基底本體有明顯的結構或形貌變化。而本文的結果表明，在含Na+或Fe2+離子的溶液中陰極極化，F(xiàn)TO薄膜的形貌和結構都發(fā)生了變化。這可能是因為，在酸性或中性溶液中，Cu2+、Fe2+、Na+的標準還原電位分別為0.34、?0.45和?2.71 V，而SnO2無論還原成Sn還是SnO，其標準還原電位均約為?0.11 V[28]，所以在含Cu2+溶液中陰極極化，Cu2+的還原將是主要的反應，對FTO基底的影響不大。但在含F(xiàn)e2+或Na+的溶液中，SnO2的還原將成為主要的反應。文獻中也報道了在酸性水溶液中可以將SnO2陰極還原為金屬Sn[29]。溶液中的Fe3+離子也有助于FTO的陰極還原[30]。在Na2SO3溶液中，?2.1 V(相對于SCE)陰極電勢下能將FTO還原[19]。本文實驗中觀察到，F(xiàn)TO薄膜經過6.0 mA/cm2陰極極化后薄膜的顏色都變深，表明FTO薄膜發(fā)生了類似的還原反應。Pl? Cid等[31]在pH = 7.0的Na2SO4溶液中以0.26 mA/cm2的陰極電流對FTO極化處理2 750 s后，沒有發(fā)現(xiàn)FTO的結構和形貌發(fā)生變化，可能是由于他們所用的陰極極化電流太低。

經陰極還原的FTO樣品在熱氧化過程中必然經歷SnO中間態(tài)[32]，而SnO的存在有利于進一步氧化時形成正交結構的SnO2[33]。如果薄膜中存在Fe元素，F(xiàn)e和Sn離子半徑的差異將引起SnO2晶格的畸變，晶距收縮且內應力增大[34]，從而驅動正交結構SnO2的形成。因此F-FTO薄膜中形成了更多正交結構的SnO2，在XRD譜圖中呈現(xiàn)出正交SnO2的衍射峰。

研究顯示，正交結構SnO2與四方結構SnO2共存能提高SnO2材料的傳感性能[35-37]。因此，經過陰極極化改性之后，F(xiàn)TO薄膜的表面由致密平整變?yōu)槎嗫椎男蚊?，而且存在正交和四方兩種結構的SnO2，加上可能有Fe元素的摻雜效應，使得薄膜的光電化學性能得到極大的提高。

2. 3 薄膜的XPS分析

為證實在F-FTO薄膜中是否存在Fe元素，對樣品進行了XPS分析，結果見圖4和圖5。在圖4的XPS寬譜中，三種樣品沒有明顯的差別，主要的電子結合能峰都來自SnO2[38-41]，27 eV和122 eV處的電子結合能分別歸屬于Sn4d和Sn4s的芯能級電子，487 eV和493 eV歸屬于Sn3d的芯能級電子，717 eV和758 eV歸屬于Sn3p的芯能級電子，1 060 eV左右處則是SnMNN俄歇電子峰；530 eV處的結合能峰歸屬于O1s芯能級電子，966 eV和976 eV兩處的結合能歸屬于OKLL俄歇電子峰。

圖4 FTO薄膜的XPS全譜Figure 4 XPS survey of FTO films

圖5 FTO薄膜的Sn、Fe、O、F元素XPS精細譜圖Figure 5 High-resolution XPS spectra of Sn, Fe, O and F elements for FTO films

由圖5的各元素精細譜可見，三種樣品中的O1s和Sn3d電子結合能峰的峰形和峰位相同。O1s的結合能分別為529.8 eV和531.5 eV，前者歸屬于常見的晶格O?2狀態(tài)[41]，后者則歸屬于吸附?OH或者水分子等物種[42]。Sn3d的結合能為485.8 eV和494.2 eV，分別歸屬于Sn(IV)價態(tài)的Sn3d5/2和Sn3d3/2[43-44]。F1s電子的結合能峰位于985 eV，與文獻報道[45]一致，但F-FTO薄膜中F1s電子的結合能峰顯著減小，可能是在FeSO4溶液里陰極極化及熱處理過程中，樣品內的F元素有所流失。O、Sn和F的精細XPS譜表明不同F(xiàn)TO樣品的主要成分都是SnO2。

從Fe2p精細譜可見，三種樣品都在717 eV處出現(xiàn)歸屬于Sn3p電子的結合能峰[46]。但F-FTO薄膜中，在Sn3p電子結合能峰的兩側存在肩峰，表明樣品中存在Fe元素。通過高斯?洛侖茲分峰擬合后，可確定F-FTO中Fe2p的電子結合能為710.6 eV和724.2 eV，半峰寬超過5 eV。從電子結合能數(shù)值可推斷在F-FTO薄膜中Fe以+3價態(tài)存在[47]。由于Fe2p的電子能譜峰形較差，因此難以根據(jù)元素的靈敏度因子定量計算Fe的含量。XRF成分分析表明，F(xiàn)-FTO中Fe的含量為1%(原子分數(shù))，證明F-FTO為Fe摻雜的FTO。

已有許多研究顯示，在TiO2[48]、WO3[49]、SnO2[7-10]等氧化物半導體材料中摻雜Fe元素，能改變材料的光學帶隙和缺陷密度，有效提高其光催化/光電化學性能。本文采用在FeSO4溶液中陰極極化后熱處理的方式，在普通的FTO導電玻璃上制備出納米多孔形貌的Fe摻雜FTO薄膜，顯著提高了FTO薄膜在可見光下的光電流。本文的研究為寬禁帶氧化物的摻雜、改性提供了新的途徑。通過優(yōu)化電化學陰極極化和熱處理的條件，可望得到性能更為優(yōu)異的摻雜FTO光催化材料，并闡明電化學摻雜改性增強光催化性能的機理。相關研究有待后續(xù)系統(tǒng)地展開。

3 結論

(1) 普通FTO導電玻璃通過在FeSO4溶液中陰極極化后熱處理，能夠制備出納米多孔形貌的Fe摻雜FTO薄膜，它具有良好的可見光光電化學活性。

(2) Fe摻雜FTO薄膜中鐵的原子分數(shù)為1%，存在正交結構SnO2和四方結構SnO2兩種物相。

致謝

感謝廈門大學林敬東和金鵬老師幫助進行樣品的XRD測試。

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[ 編輯：溫靖邦 ]

Photoelectrochemical property of FTO thin film under visible light enhanced by electrochemical doping of Fe //

XIAO Shi-qing, HAO Li-hua, XIE Meng-yang, MA Rong-wei, NIU Zhen-jiang*

A visible-light-responsive Fe-doped FTO (F-doped SnO2) thin film was prepared by cathodic polarization of FTO conductive glass in a FeSO4solution followed by thermal oxidation in air at 500 °C. The morphology, structure and surface composition of the thin film were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The photocurrent vs. time curve of the thin film was measured in 1.0 mol/L NaOH solution under visible light and zero bias. The results showed that the electrochemically modified FTO thin film contains about 1.0at% of Fe, comprises two structural phases of tetragonal and orthorhombic SnO2, and presents a nanoporous morphology. The photocurrent density of the Fe-doped FTO thin film is 0.5 μA/cm2, which is significantly higher than that of the undoped FTO thin film (0.019 μA/cm2).

fluorine doped tin dioxide; iron doping; cathodic polarization; visible light; photocurrent

Institute of Physical Chemistry, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China

O611.4

A文獻標志碼：：1004 – 227X (2017) 09 – 0455 – 07

10.19289/j.1004-227x.2017.09.004

2017–03–17

2017–05–16

國家自然科學基金（21173196）。

肖仕清（1989–），男，湖南祁東人，在讀碩士研究生，主要研究方向為電化學。

牛振江，教授，(E-mail) nzjiang@zjnu.cn。