CN104437569A - 一种基于Ag3PO4薄膜的可见光吸收层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Ag₃PO₄薄膜的可见光吸收层的制备方法，属于光催化、光电材料的制备方法。使用“共沉淀—旋涂—干燥—烧结”四步工艺制备而成，步骤：1)采用共沉淀法获得Ag₃PO₄纳米级超细粉体，粉体的尺度在20～500nm范围；2)将Ag₃PO₄粉末超声分散于透明有机溶剂中，再将获得的溶胶状分散液旋涂于基底上，得到预制的Ag₃PO₄膜层；3)将预制的Ag₃PO₄膜层置于20-80℃的烘箱中干燥，然后载将其放置于马弗炉内烧结以除去有机物残留。该Ag₃PO₄可见光吸收层的厚度在0.2～10μm范围，不仅有着良好的可见光响应特性和附着力，而且作为光催化剂易于回收，能够用于光电化学电池的光阳极。在光降解污染物、光解水以及光电转换等领域有着较大的应用潜力。优点：方法简单、无毒，且易于操作，成本低。

Description

一种基于Ag3PO4薄膜的可见光吸收层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光催化、光电材料的制备方法，特别是一种基于Ag₃PO₄薄膜的可见光吸收层的制备方法。

背景技术

步入上世纪70年代以来，环境污染和能源短缺等问题日趋引起人们对爆发全球性危机甚至灾难的担忧。站在人类社会可持续性发展的角度来看，发展绿色环境污染治理技术与替代性清洁能源已经迫在眉睫。将目前的所有技术进行对比发现，半导体光催化是一种颇有发展前途的技术，这是因为它很容易利用自然光或人工光源中的能量。光催化材料是一类半导体，能在光的照射下能够产生电子、空穴，进而能够将水分解为氢和氧气，或者将有机废水分解成无毒物质。在众多的半导体剂中，TiO₂被证明具有光催化活性高、化学性质稳定和无毒等优点，在光催化降解、制氢等领域已经充分展现出优势。然而，它的禁带宽度大，只能吸收占太阳光中极小部分的紫外光。

近年来，人们也陆续研制出一些具有可见光响应的光催化剂，如CdS、BiOBr、Cu₂O等。然而这些材料要么容易发生光腐蚀，要么光催化活性不高，光分解或光降解持续时间过长，离实际应用相差很远。直到2009年，叶金花等发现一种新型光催化材料——Ag₃PO₄，具有可见光响应(带隙约为2.4eV)、量子产率高(～90％)等特点，可在极短的时间内将污染物矿化。尽管有着这些优点，但Ag₃PO₄基光催化剂也存在3个致命性的不足：首先，合成出的晶粒通常尺寸较大，采用表面活性剂包覆尽管有助于降低晶粒尺寸获得纳米晶，但晶粒表面包覆的有机物难以去除。第二，稳定性相对较差，不仅见光易分解，且还微溶于水，在反应过程中容易发生“光腐蚀”形成Ag单质粒子，从而阻止光的入射，通过Ag₃PO₄的外壁形成卤化银(AgBr、AgCl等)壳层尽管能够抑制其“光腐蚀”行为，但光稳定性仍然难以显著改善。第三，Ag₃PO₄光催化剂通常为粉末形式，不仅难以循环使用，而且还不容易实现光电催化：一种更佳的催化形式。

从工业应用的角度以及TiO₂等光催化材料的发展历程上来看，有必要做成薄膜或涂层形式。这种形式的材料至少有三个优点：一是有利于光催化剂的循环使用，提高使用效率；二是做成光电化学池(用于制氢或发电)，因其自身就具有可见光响应，不仅能够省去染料敏化环节，而且可望实现更好的光电能量转换。另外，将Ag₃PO₄做成薄膜形式，实现光解水、光电能量转换，相比较传统的Si、TiO₂基太阳电池，制备成本更低，且目前尚无文献报道过。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于Ag₃PO₄薄膜的可见光吸收层的制备方法，解决目前Ag₃PO₄基光催化剂不易回收，且不容易实现光电能量转换、光解水制氢的问题。

实现本发明目的的技术方案：可见光吸收层的制备方法是：使用“共沉淀—旋涂—干燥—烧结”四步工艺制备而成；具体步骤：1)采用共沉淀法获得Ag₃PO₄纳米级粉体，粉体的尺度在20～500nm范围；2)将Ag₃PO₄粉末溶解分散于透明有机载体中，获得前驱体溶胶，再将获得的前驱体溶胶利用旋涂法旋涂于基底上，得到预制的Ag₃PO₄薄膜；3)将预制的Ag₃PO₄薄膜置于20-80℃的烘箱中干燥；4)，将干燥后的Ag₃PO₄预制膜放置于马弗炉中烧结以除去有机溶剂残留，采用二步温度法烧结而成。

所述的透明有机载体由松油醇、乙基纤维素组成，它们的质量比为10:1～5:1。

所述的先驱体溶胶中乙基纤维素与Ag₃PO₄粉末的质量比为0.03:1～0.1:1。

所述的二步温度法的保温阶段分为两个，低温段在125-150℃，高温段则位于350-400℃范围。

本发明的有益效果如下：

1.本发明方法简单、无毒，且易于操作。

2.本发明方法不需要使用惰性气氛保护，成本低，适合进行工业化生产。

3.得到的膜层附着力较好，且膜层的厚度易于控制。

附图说明

图1是本发明实施例1中Ag₃PO₄基薄膜光阳极的XRD图。

图2是本发明实施例1中Ag₃PO₄基薄膜光阳极的SEM表面图。

图3是本发明实施例1中基于Ag₃PO₄光阳极的光电化学池的I-V特性曲线。

图4是本发明实施例1中基于Ag₃PO₄光阳极的光电化学池的光响应曲线。

具体实施方式

可见光吸收层的制备方法是：使用“共沉淀—旋涂—干燥—烧结”四步工艺制备而成的，步骤：1)采用共沉淀法获得Ag₃PO₄纳米级粉体，粉体的尺度在20～500nm范围；2)将Ag₃PO₄粉末溶解分散于透明有机载体中，获得前驱体溶胶，再将获得的前驱体溶胶利用旋涂法旋涂于基底上，得到预制的Ag₃PO₄薄膜；3)将预制的Ag₃PO₄薄膜置于20-80℃的烘箱中干燥；4)，将干燥后的Ag₃PO₄预制膜放置于马弗炉中烧结以除去有机溶剂残留。

所述的透明有机载体由松油醇、乙基纤维素组成，它们的质量比为10:1～5:1。

所述的前驱体溶胶中乙基纤维素与Ag₃PO₄粉末的质量比为0.03:1～0.1:1。

所述的烧结过程的保温阶段分为两个，低温段在125-150℃，高温段则位于350-400℃范围。

实施例1：以氟锡氧化物(FTO)导电玻璃作为基底，在5mL松油醇中加入0.4g乙基纤维素，室温下搅拌24h，得到透明粘稠液体，取0.5g共沉淀法制备的Ag₃PO₄研磨30min，加入到375μL上述透明粘稠液体中，搅拌2h，得到凝胶。将FTO导电玻璃置于匀胶机上，在中心部位滴加凝胶，以1000r/min的低转速旋涂10s，再以3000r/min的高转速旋涂60s得到薄膜。将旋涂好的薄膜在60℃烘箱中干燥12h，然后置于马弗炉中烧结。从室温以1℃/min的速率升温至125℃，保温30min，再以10℃/min的速率升温至400℃，保温90min，自然冷却至室温，得到较牢固的薄膜。将制备的Ag₃PO₄基薄膜用于染料敏化太阳能电池中，Pt电极作为对电极，多碘离子作为电解液。该薄膜作为光阳极有一定的光响应，如附图4所示。

实施例2：以铟锡氧化物(ITO)导电玻璃作为基底，在4.5mL松油醇中加入0.4g乙基纤维素，60℃下搅拌12h，得到透明粘稠液体，取0.4gAg₃PO₄研磨30min,加入到225μL上述透明粘稠液体中，搅拌2h，得到凝胶。通过刮涂法得到薄膜，在50℃烘箱中干燥12h，然后置于马弗炉中烧结。从室温以1℃/min的速率升温至125℃，保温30min，再以10℃/min的速率升温至375℃，保温90min,自然冷却至室温，得到较牢固的薄膜。将制备的Ag₃PO₄基薄膜光阳极用于电化学工作站中，Pt电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极，0.1M硝酸钾水溶液作为电解液。

实施例3：FTO导电玻璃作为基底，在6mL松油醇中加入0.5g乙基纤维素，60℃下搅拌12h，得到透明粘稠液体，取0.45g Ag₃PO₄研磨30min，加入到275μL上述透明粘稠液体中，搅拌2h，得到凝胶。通过提拉法得到薄膜，在80℃烘箱中干燥12h，然后置于马弗炉中烧结。从室温以1℃/min的速率升温至125℃，保温30min，再以10℃/min的速率升温至400℃，保温90min,自然冷却至室温，得到较牢固的薄膜。将制备的Ag₃PO₄基薄膜光阳极用于电化学工作站中中，Pt电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极，0.1M硝酸钾水溶液作为电解液。

Claims (4)

1.一种基于Ag₃PO₄薄膜的可见光吸收层的制备方法，其特征在于：可见光吸收层的制备方法是：使用“共沉淀—旋涂—干燥—烧结”四步工艺制备而成；具体步骤：1）采用共沉淀法获得Ag₃PO₄纳米级粉体，粉体的尺度在20~500 nm范围；2）将Ag₃PO₄粉末溶解分散于透明有机载体中，获得前驱体溶胶，再将获得的前驱体溶胶利用旋涂法旋涂于基底上，得到预制的Ag₃PO₄薄膜； 3）将预制的Ag₃PO₄薄膜置于20-80 ℃的烘箱中干燥；4），将干燥后的Ag₃PO₄预制膜放置于马弗炉中烧结以除去有机溶剂残留；采用二步温度法烧结而成。

2.根据权利要求1所述的基于Ag₃PO₄薄膜的可见光吸收层的制备方法，其特征在于：所述的透明溶剂由松油醇、乙基纤维素组成，两者的质量百分比在10:1~5:1范围。

3.根据权利要求1所述的基于Ag₃PO₄薄膜的可见光吸收层的制备方法，其特征在于：所述的前驱体溶胶中乙基纤维素与Ag₃PO₄粉末的质量百分比在0.03:1~0.1:1范围。

4.根据权利要求1所述的基于Ag₃PO₄薄膜的可见光吸收层的制备方法，其特征在于：所述的二步温度法，其中第一段在125-150 ℃区间，第二步则位于350-400 ℃区间。