[发明专利]仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极及其制备方法，该复合光电极包括钒酸铋纳米片及负载于该钒酸铋纳米片上的仿生锰核立方烷催化剂Mn₄O₄，本发明的方法为先制备钒酸铋光电极，随后制备仿生锰核立方烷粉体，将粉体溶于二氯甲烷溶液中，随后取溶液滴涂于钒酸铋光阳极，制得仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极；本发明仿生锰核立方烷催化剂负载于钒酸铋光阳极上能够有效地加速表面水氧化动力学，从而有效提升光电转化效率，在光催化水分解、人工光合作用等领域具有广阔的应用前景；同时该制备方法简单，成本低，可操作性强。

技术领域

本发明属于复合薄膜领域，尤其涉及仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断发展，对能源的需求也与日俱增，能源危机与环境污染成为了人类目前所面临最大的挑战。而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，为地球上的生命活动提供了所必需的能源。因此如何将太阳能转化为可供人类使用的其他能源，引起了研究者的广泛关注。在目前的研究中，利用金属氧化物半导体进行光电催化水分解产生氢气和氧气，可以将太阳能转化为稳定的化学能以供人类使用，被认为在太阳能转化领域具有较好的应用前景。

对于金属氧化物半导体光电极，影响光转化效率的关键因素就是其光吸收能力。半导体的带隙越窄，能够吸收的太阳光波长越长，也就意味着能够吸收更多的光能激发出载流子对。钒酸铋半导体的能带宽度约为2.4 eV，能够吸收太阳光谱中波长小于516 nm的光波，因此被认为是良好的光电极材料。但是，由于光电催化水分解中的水氧化反应涉及到四电子过程，需要较高的反应过电势并且反应动力学较慢。所以，如何对半导体光电极进行改性，加快其水氧化反应动力学并降低反应过电势，是提升光电催化水分解系统效率的关键问题。

而自然界中的光合作用被认为是目前最高效的太阳能转化系统之一，光合作用中光系统Ⅱ是水氧化生成氧气的关键。在光系统Ⅱ中，P680吸色团吸收光能，然后将能量转移至水氧化催化剂Mn₄CaO₅进而氧化水分子产生氧气。其中，Mn₄CaO₅被认为是水氧化过程中的关键物质，其存在于目前已知的所有的绿色植物中。研究者们对其进行深入研究后发现，独特的立方烷结构是其具有高效水氧化能力的关键因素，因此基于Mn₄CaO₅开发新型的仿生催化剂为提升光电极水氧化效率提供了新思路。

因此，如何从自然界光合作用中汲取思路开发新型高效的光电极提升人工光合作用效率是急需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极及其制备方法，通过该方法制备得到一种光电水氧化电流密度大，起始电位低的仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极。

本发明是这样实现的：

一种仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极，其特征在于，所述的复合光电极包括钒酸铋纳米片及负载于该钒酸铋纳米片上的仿生锰核立方烷催化剂Mn₄O₄。采用仿生锰核立方烷催化剂较好的氧析出能力，将其负载在钒酸铋半导体光电极表面，可以有效地加速表面水氧化动力学并且降低反应过电势，从而提升其光电转化效率。

本发明还公开了一种仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、制备钒酸铋光电极；

步骤二、制备仿生锰核立方烷粉体；

步骤三、将粉体溶于二氯甲烷溶液中，随后取溶液滴涂于钒酸铋光阳极，制得仿生锰核立方烷催化剂复合钒酸铋光电极。

进一步，所述的步骤一具体为：