陳亞杰

摘 ? 要：伴隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及各國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的爆發(fā)式進(jìn)步，各行各業(yè)均獲得了較大的發(fā)展機(jī)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(shí)也是可持續(xù)發(fā)展理念下工業(yè)經(jīng)濟(jì)面臨的必然問題。對(duì)此，以半導(dǎo)體材料光電催化分解水制氫工藝為研究?jī)?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(dǎo)，并為解決能源問題發(fā)揮一定理論指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氧化鐵;光電催化;表面改性

長(zhǎng)期以來，能源問題一直都是各行各業(yè)所共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一，而針對(duì)人類活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，如何協(xié)調(diào)好能源開發(fā)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，始終是需要重視的主要社會(huì)課題。誠(chéng)然，工業(yè)化進(jìn)程的深入推進(jìn)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(dǎo)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(guó)家共同面臨的難題。對(duì)此，結(jié)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(shí)際現(xiàn)狀，對(duì)太陽能制氫工藝進(jìn)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(huì)背景下發(fā)展能源經(jīng)濟(jì)的必然需求。

1 ? ?氧化鐵納米材料簡(jiǎn)介

從目前來看，運(yùn)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(shì)。但是，受技術(shù)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(jī)問題，各國(guó)研究人員均對(duì)太陽能制氫工藝進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。其中，科學(xué)家Fujishima采用TiO2半導(dǎo)體光電極進(jìn)行光電催化分解水，這一方面為后續(xù)半導(dǎo)體材料催化劑的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)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(jià)格低廉、無毒無害等特性，但是，實(shí)驗(yàn)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(dāng)前針對(duì)制氫工藝進(jìn)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(dǎo)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(duì)分子質(zhì)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(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，是結(jié)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?yàn)槠淇晌展獠ㄩL(zhǎng)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(duì)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(jìn)行探究。對(duì)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?fù)诫s、結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對(duì)材料外貌的精準(zhǔn)控制，而在此過程中，能夠就材料內(nèi)部電荷傳輸距離進(jìn)行一定程度的縮減，借此便可以實(shí)現(xiàn)提高光電荷收集率的效果;其二，可通過采用不同價(jià)態(tài)鐵離子對(duì)氧化鐵中的三價(jià)鐵離子進(jìn)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(jié)構(gòu)加快電極反應(yīng)，借助更加快速的電極分離實(shí)現(xiàn)電荷的快速吸收;其四，可通過對(duì)氧化鐵納米材料施加表面催化劑以提高材料氧化率，同時(shí)對(duì)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?jī)r(jià)值

針對(duì)上述研究?jī)?nèi)容，當(dāng)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(gè)層面?；诋?dāng)前日益嚴(yán)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(rèn)可的一種制氫方式，而對(duì)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(shí)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(rèn)可。但是，從目前來看，氧化鐵制氫工藝效率理論上僅能達(dá)到16.8%，整體應(yīng)用效果尚不明顯，因此，在現(xiàn)有制氫工藝研究基礎(chǔ)上，就氧化鐵納米材料性能，尤其是光電催化性能進(jìn)行改善和優(yōu)化是打破當(dāng)前制氫工藝研究困境的唯一途徑。不僅有助于促進(jìn)我國(guó)乃至世界能源界的創(chuàng)新發(fā)展，同時(shí)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(dǎo)貢獻(xiàn)[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(yīng)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(gòu)造B-Ti-Fe2O3的方法就氧化鐵納米材料的表面進(jìn)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與過程

（1）準(zhǔn)備：針對(duì)硼鈍化實(shí)驗(yàn)，我們采用常見氧化鐵制備材料及硼酸、四氧化鈦來作為實(shí)驗(yàn)材料，其中，實(shí)驗(yàn)儀器選用國(guó)內(nèi)外最為先進(jìn)的馬弗爐用于制作氧化鐵原材料，使用反應(yīng)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(jìn)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(jìn)行制備，最終形成表面硼鈍化氧化鐵納米材料。

2.1.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)制備好的B-Ti-Fe2O3光電極材料，分別使用SEM和HRTEM對(duì)其微觀形貌特征進(jìn)行分析，并借助EDX對(duì)材料進(jìn)行線性掃描測(cè)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(cè)試結(jié)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(jié)構(gòu)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(jìn)行光電性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)B-Ti-Fe2O3的光電性能大致可達(dá)到1.64 mA/cm2，對(duì)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(yuǎn)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(chǔ)上，驗(yàn)證了對(duì)氧化鐵進(jìn)行表面修飾的重要作用，對(duì)此，可基于現(xiàn)有碳修飾研究采用碳鈷表面修飾原理對(duì)氧化鐵納米材料進(jìn)行分析。該工藝雖目前研究較少，但在應(yīng)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與過程

（1）準(zhǔn)備：針對(duì)碳鈷修飾實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)材料，其中，實(shí)驗(yàn)儀器同樣選用國(guó)內(nèi)外最為先進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)制備好的C，Co-Fe2O3光電極材料，分別使用SEM和HRTEM對(duì)其微觀形貌特征進(jìn)行分析，并借助EDX對(duì)材料進(jìn)行線性掃描測(cè)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(cè)試結(jié)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(jié)構(gòu)保持一致，材料特征仍以原有的納米棒狀結(jié)構(gòu)為主。此外，基于線性掃描儀進(jìn)行光電性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，C，Co-Fe2O3的光電性能大致可達(dá)到1.65 mA/cm2，對(duì)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(yuǎn)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(shí)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(shí)位于0.48 V時(shí)，電流密度也遠(yuǎn)不止0.3 mA/cm2，這說明C，Co-Fe2O3比預(yù)測(cè)中的效果更好，這將在改善制氫工藝層面發(fā)揮較大的價(jià)值 。

3 ? ?結(jié)語

基于氧化鐵納米材料光電性能，詳細(xì)分析了兩種表面改性方法應(yīng)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(shí)現(xiàn)電荷復(fù)合抑制，后者則可借助表面修飾原理促進(jìn)電荷分離，但是需注意的是，并未提及基于界面襯底層生長(zhǎng)原理的WO3修飾工藝，且相關(guān)研究也僅停留于表面。因此，需進(jìn)一步進(jìn)行深入研究和實(shí)驗(yàn)，并最終為優(yōu)化制氫工藝和改善能源問題作出一定貢獻(xiàn)。

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