表面改性的氧化鐵納米材料在光電催化分解水中的研究

陳亞杰

摘 ? 要：伴隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展以及各國工業(yè)經(jīng)濟的爆發(fā)式進步，各行各業(yè)均獲得了較大的發(fā)展機遇。其中，能源問題是制約工業(yè)發(fā)展的主要因素，在此背景下，找尋能夠替代化石能源的新能源，不僅是工業(yè)謀求發(fā)展的主要需求，同時也是可持續(xù)發(fā)展理念下工業(yè)經(jīng)濟面臨的必然問題。對此，以半導體材料光電催化分解水制氫工藝為研究內(nèi)容，深入分析了表面改性氧化鐵納米材料在光電催化分解水中的具體作用，旨在給予廣大研究人員可行的幫助和指導，并為解決能源問題發(fā)揮一定理論指導價值。

關鍵詞：氧化鐵;光電催化;表面改性

長期以來，能源問題一直都是各行各業(yè)所共同關注的焦點問題之一，而針對人類活動的物質基礎，如何協(xié)調好能源開發(fā)與經(jīng)濟發(fā)展之間的關系，始終是需要重視的主要社會課題。誠然，工業(yè)化進程的深入推進使得人類的居住條件有了明顯改善，但由于過度開發(fā)問題的存在，導致包括煤炭、石油、天然氣在內(nèi)的不可再生能源瀕臨枯竭，這意味著尋找可再生清潔能源已然成為世界各國家共同面臨的難題。對此，結合氫能作用原理以及大多數(shù)氫能仍來源于化石原料的實際現(xiàn)狀，對太陽能制氫工藝進行分析，不僅符合現(xiàn)代能源發(fā)展理念，更是各行業(yè)氫能需求量逐年遞增社會背景下發(fā)展能源經(jīng)濟的必然需求。

1 ? ?氧化鐵納米材料簡介

從目前來看，運用太陽能制氫是制氫工藝的主要發(fā)展方向，且由于太陽能擁有清潔、豐富等特性，使得推廣太陽能制氫符合現(xiàn)代制氫工藝的發(fā)展趨勢。但是，受技術條件限制，目前世界范圍內(nèi)僅有5%的氫能來源于太陽能，大部分氫能開發(fā)仍以以往的化石能源制氫工藝為主，這就使得氫能源問題依舊未能得到充分解決。在此背景下，為解決能源危機問題，各國研究人員均對太陽能制氫工藝進行了一系列實驗研究。其中，科學家Fujishima采用TiO2半導體光電極進行光電催化分解水，這一方面為后續(xù)半導體材料催化劑的發(fā)展奠定了基礎，同時也使太陽能制氫工藝步入了嶄新的發(fā)展階段。此外，截至目前，TiO2光電極依舊是制氫工藝最為常用的催化劑材料，究其原因主要是TiO2具有價格低廉、無毒無害等特性，但是，實驗證明TiO2僅能吸收4%的紫外光，整體來說吸收可見光性能較差，因此，當前針對制氫工藝進行的創(chuàng)新探索多以找尋帶隙位置合適、禁帶寬度較窄的半導體材料為主。

1.1 ?氧化鐵納米材料概述

通常來說，氧化鐵納米材料呈現(xiàn)紅棕色物理特性，其相對分子質量為159.67，多以赤鐵礦形式存在于自然界。其中，在常溫條件下，氧化鐵納米材料結構較為穩(wěn)定，是結晶氧化鐵的主要形式，而之所以該材料能夠廣泛用于光電極制作，主要是因為其可吸收光波長界限為590 nm，即該種材料可吸收絕大多數(shù)存在于自然界的可見光。

1.2 ?提高氧化鐵納米材料光電極性能的現(xiàn)行方法

氧化鐵納米材料對可見光的吸收率只有4%，因此，若想推廣氧化鐵納米材料，需就提高該材料光電極性能的方式方法進行探究。對此，從目前來看，現(xiàn)行優(yōu)化方法主要集中于形貌控制、元素摻雜、結構重筑、表面修飾等方面。其一，可通過選用不同氧化鐵納米材料合成工藝實現(xiàn)對材料外貌的精準控制，而在此過程中，能夠就材料內(nèi)部電荷傳輸距離進行一定程度的縮減，借此便可以實現(xiàn)提高光電荷收集率的效果;其二，可通過采用不同價態(tài)鐵離子對氧化鐵中的三價鐵離子進行替換，具體原理同樣為縮減材料內(nèi)部電荷的傳輸距離;其三，可通過優(yōu)化材料能帶結構加快電極反應，借助更加快速的電極分離實現(xiàn)電荷的快速吸收;其四，可通過對氧化鐵納米材料施加表面催化劑以提高材料氧化率，同時對其配以表面鈍化處理，同樣也可改善氧化鐵的光電催化性能。

1.3 ?課題研究價值

針對上述研究內(nèi)容，當前研究氧化鐵納米材料性能優(yōu)化課題的目的主要集中于兩個層面。基于當前日益嚴重的環(huán)境污染問題和能源枯竭問題，PEC系統(tǒng)制氫成了工業(yè)范圍內(nèi)各企業(yè)共同認可的一種制氫方式，而對于氧化鐵納米材料來說，來源較廣，依靠水熱法、溶膠-凝膠法、超聲噴霧熱解法等多種方法均可制備，同時由于無毒無害，符合現(xiàn)代制氫工藝發(fā)展要求，因此備受人們認可。但是，從目前來看，氧化鐵制氫工藝效率理論上僅能達到16.8%，整體應用效果尚不明顯，因此，在現(xiàn)有制氫工藝研究基礎上，就氧化鐵納米材料性能，尤其是光電催化性能進行改善和優(yōu)化是打破當前制氫工藝研究困境的唯一途徑。不僅有助于促進我國乃至世界能源界的創(chuàng)新發(fā)展，同時還將為解決環(huán)境污染問題和能源枯竭問題作出很大程度上的理論指導貢獻[1-3]。

2 ? ?表面改性的氧化鐵納米材料在光電催化分解水中的具體應用效果

2.1 ?硼鈍化表面氧化鐵納米材料

從目前來看，空穴傳輸距離較短是制約氧化鐵納米材料光電催化效果提高的主要因素，因此，可采用構造B-Ti-Fe2O3的方法就氧化鐵納米材料的表面進行鈍化，并借此提高氧化鐵的光電性能，具體可提高3倍左右。

2.1.1 ?實驗準備與過程

（1）準備：針對硼鈍化實驗，我們采用常見氧化鐵制備材料及硼酸、四氧化鈦來作為實驗材料，其中，實驗儀器選用國內(nèi)外最為先進的馬弗爐用于制作氧化鐵原材料，使用反應釜制作FeOOH薄膜，并依靠草酸、鹽酸等各種酸溶液就氧化鐵表面進行最終處理。

（2）過程：基于已經(jīng)制備好的氧化鐵材料，采用光電極制備原理就B-Ti-Fe2O3光電極材料進行制備，最終形成表面硼鈍化氧化鐵納米材料。

2.1.2 ?實驗結果

針對制備好的B-Ti-Fe2O3光電極材料，分別使用SEM和HRTEM對其微觀形貌特征進行分析，并借助EDX對材料進行線性掃描測試，最終得出優(yōu)化后氧化鐵材料的光電性能。其中，根據(jù)SEM和HRTEM測試結果，在硼酸處理后，氧化鐵表面形態(tài)外貌并未發(fā)生明顯變化，這證明B-Ti-Fe2O3與原始氧化鐵納米材料表面結構保持一致，硼很大可能發(fā)揮了分子修飾作用。此外，基于線性掃描儀進行光電性能測試，發(fā)現(xiàn)B-Ti-Fe2O3的光電性能大致可達到1.64 mA/cm2，對比為空白氧化鐵的2倍，這說明硼鈍化氧化鐵材料是一種遠優(yōu)于氧化鐵本身的催化材料，能夠符合氧化鐵制氫工藝的需求。

2.2 ?碳鈷表面氧化鐵納米材料

在硼修飾基礎上，驗證了對氧化鐵進行表面修飾的重要作用，對此，可基于現(xiàn)有碳修飾研究采用碳鈷表面修飾原理對氧化鐵納米材料進行分析。該工藝雖目前研究較少，但在應用后能夠充分發(fā)揮鈷離子的催化特性，起到良好的氧化鐵性能優(yōu)化效果。

2.2.1 ?實驗準備與過程

（1）準備：針對碳鈷修飾實驗，我們采用常見氧化鐵制備材料及葡萄糖、六水合硝酸鈷來作為實驗材料，其中，實驗儀器同樣選用國內(nèi)外最為先進的馬弗爐。

（2）過程：基于已經(jīng)制備好的氧化鐵材料，利用水熱處理方法制備碳鈷修飾氧化鐵納米材料。

2.2.2 ?實驗結果

針對制備好的C，Co-Fe2O3光電極材料，分別使用SEM和HRTEM對其微觀形貌特征進行分析，并借助EDX對材料進行線性掃描測試，最終得出優(yōu)化后氧化鐵材料的光電性能。其中，根據(jù)SEM和HRTEM測試結果，在葡萄糖及六水合硝酸處理后，氧化鐵表面形態(tài)外貌并未發(fā)生明顯變化，這證明C，Co-Fe2O3與原始氧化鐵納米材料表面結構保持一致，材料特征仍以原有的納米棒狀結構為主。此外，基于線性掃描儀進行光電性能測試發(fā)現(xiàn)，C，Co-Fe2O3的光電性能大致可達到1.65 mA/cm2，對比上述硼鈍化工藝大致相同，同樣為空白氧化鐵的2倍，這說明碳鈷修飾氧化鐵材料為一種遠優(yōu)于氧化鐵本身的催化材料，能夠符合氧化鐵制氫工藝需求。但是，在實際制備過程中發(fā)現(xiàn)，該氧化鐵優(yōu)化工藝并非已有研究中指出的光電流出現(xiàn)于0.48 V，相反，不僅材料于0.48 V之前便出現(xiàn)光電流現(xiàn)象，同時位于0.48 V時，電流密度也遠不止0.3 mA/cm2，這說明C，Co-Fe2O3比預測中的效果更好，這將在改善制氫工藝層面發(fā)揮較大的價值 。

3 ? ?結語

基于氧化鐵納米材料光電性能，詳細分析了兩種表面改性方法應用下氧化鐵的性能變化。B-Ti-Fe2O3工藝和C，Co-Fe2O3工藝均不失為一種非常有效的氧化鐵優(yōu)化方法，前者能夠依托表面鈍化原理實現(xiàn)電荷復合抑制，后者則可借助表面修飾原理促進電荷分離，但是需注意的是，并未提及基于界面襯底層生長原理的WO3修飾工藝，且相關研究也僅停留于表面。因此，需進一步進行深入研究和實驗，并最終為優(yōu)化制氫工藝和改善能源問題作出一定貢獻。

[參考文獻]

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[5]張 ? 英.氧化鐵基復合光催化材料的制備及其光催化性能研究[D].武漢：華中科技大學，2015.