一种还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极及其制备方法和用途
本发明属于光电催化领域，具体涉及一种还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极及其制备方法和用途。
背景技术：
1、氢(h2)作为能量载体，具有极高的能量密度(约142mj·kg-1)和零碳含量，被认为是一种很有前途的清洁燃料。光电催化技术实现了利用纳米半导体材料光催化剂对太阳能高效催化转化，操作简单、成本低、效率高、绿色无污染，被认为是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色催化技术。近几年，sb2s3由于其合适的禁带宽度(约1.7ev)和较高的吸收系数而受到了关注。sb2s3价带位于产氢电位正向1.55e v的位置，理论起始电势较高。sb2s3的导带位置比产氢电位更负，可以提供足够的反应驱动力去促进分解水产氢反应的发生。sb2s3在光电转化领域有着较大的应用前景。然而，由于体内缺陷和表面态的存在导致光激发载流子在体内和体表复合限制了其性能的发挥。
2、在近几年的研究中除了将sb2s3作为光敏剂与其他材料复合，改进光电极性能之外，sb2s3本身也是一种优越的光电极材料，也有相关工作通过构筑光阴极器件实现了sb2s3光阴极的性能的提高。然而，直接通过简单的合成方法来复合导电性良好的碳材料(例如石墨烯)的方法来制备sb2s3基光阴极的工作还没有被报道出来。在将硫化锑与石墨烯复合的策略中，可以通过利用其优良的导电性能加速硫化锑光生电子的转移，有效地减少其光生载流子的复合，进而来提高其光电催化分解水的性能。本发明通过简单绿色的一步水热法首次制备了rgo复合的花球状sb2s3基光阴极，同时实现了sb2s3光阴极光电产氢性能的提升，而且为大规模推广应用提出了思路。
技术实现思路
1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极及其制备方法和用途，该方法所需设备简单，操作简便、制备过程绿色无毒、有利于大规模推广应用，且所制得的rgo复合sb2s3基光阴极其光电性能较单独的硫化锑光阴极得到了显著提升。
2、本发明采用以下技术方案实现：
3、根据本发明的一种具体实例，一种rgo复合的sb2s3基光阴极的制备方法，包括如下步骤：
4、1)将氧化石墨粉末分散在去离子水中，超声使其均匀分散，超声时间通常可以为2h-100h，制备go悬浮液，备用，go悬浮液的浓度通常可以为0.001-10.000mg/ml。
5、2)将酒石酸锑钾加入上述go悬浮液中，搅拌使其溶解。通常可在常温下搅拌。酒石酸锑钾和go悬浮液中go的质量之比可以为50000～2:1。搅拌时间可以为1-120min。
6、3)向上述溶液中加入硫代乙酰胺，搅拌使其完全溶解。通常可在常温下搅拌。硫代乙酰胺的物质的量为酒石酸锑钾物质的量的1-5倍。搅拌时间通常为1-120min。
7、4)将洁净的ito导电玻璃衬底竖直插入聚四氟乙烯支架中，与3)所得前驱体溶液一同转入反应釜的聚四氟乙烯内衬中，装入不锈钢反应釜中，通常可在60-220℃下保温2-24h。反应釜内衬中放置1个聚四氟乙烯支架，1个聚四氟乙烯支架上可放置1-6片洁净的ito导电玻璃，每一片ito距离在0.1-3cm之间。
8、5)反应结束后，取出样品，用去离子水和乙醇反复冲洗后，干燥，保存。通常干燥的条件为20-80℃下，空气氛围中，干燥10min-2h。在ito衬底上得到薄膜；
9、6)将5)得到的样品在ar气氛中进行退火处理，得到rgo复合的sb2s3基光阴极。其中，ar气流速10-200sccm，升温速率为1-20℃/min，退火温度100-400℃，保温时间为0.1-6h。
10、其中，优选的，所述步骤1)中的超声分散的时间是2-72h，超声分散温度25-30℃，go分散液的浓度在0.01-5mg/ml。
11、优选的，所述步骤2)和3)中，搅拌的时间均是5-60min,搅拌温度均为25-30℃。
12、优选的，所述步骤3)中的硫代乙酰胺的物质的量为酒石酸锑钾物质的量的2-4倍。
13、优选的，所述步骤4)中水热还原温度是150-180℃，反应时间为8-16h。
14、优选的，所述步骤6)中退火升温速率为5-10℃/min，退火温度300℃，保温时间0.1-2h。
15、本发明的rgo复合的花球状sb2s3基光阴极作为光阴极分解水产氢的用途。
16、本发明的有益效果在于：
17、1)本发明中，首次通过一步水热还原法得到一种rgo复合的花球状sb2s3基电极，并且应用于光电阴极分解水产氢。
18、2)该法制得的rgo复合的花球状sb2s3基光阴极光电产氢性能较单独的硫化锑光阴极有明显的提升。
19、3)本发明方法设备简单，操作简便、制备过程绿色无毒，有利于大规模推广应用。
20、4)本发明制备的rgo复合的花球状sb2s3光阴极，维持了单独硫化锑电极的花球状形貌(花球粒径约1-2μm)，同时rgo的掺入使硫化锑花球直径变小(约0.8-1μm)，这为光电产氢提供了更多的反应活性位点，进而提高产氢效率。
21、5)本发明中rgo复合的花球状sb2s3光阴极的对可见光的光吸收能力相较于单独的sb2s3有明显的提升，而且rgo良好的吸电子能力，使得sb2s3受光激发产生的光生电子向rgo的转移，从而加速了光生载流子的分离，减少复合，进而提高了光电转换效率。
22、6)本发明中rgo复合的花球状sb2s3光阴极，在模拟太阳光下(am 1.5g，100mw/cm2)，在0v vs.rhe附近的光电流最高达到1.62ma/cm2，是单独sb2s3(0.37ma/cm2)的4.4倍，显著提高了花球状硫化锑光阴极分解水产氢的性能，在光电催化分解水领域表现出优秀的应用前景。
技术特征：
1.一种还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的超声处理时间是2-100h，超声分散温度25-30℃，制备的go悬浮液浓度为0.001-10.000mg/ml。
3.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的制备方法，其特征在于：步骤2)中酒石酸锑钾和go悬浮液中go的质量之比为50000～2:1，搅拌时间为1-120min。
4.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的制备方法，其特征在于：步骤3)中加入的硫代乙酰胺的物质的量为酒石酸锑钾物质的量的1-5倍，搅拌时间为1-120min。
5.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的制备方法，其特征在于：步骤4)中保温温度为60-220℃，保温时间为2-24h。
6.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的制备方法，其特征在于：步骤4)中1个反应釜内衬中放置1个聚四氟乙烯支架，1个聚四氟乙烯支架上能够放置1-6片洁净的ito导电玻璃，每一片ito距离在0.1-3cm之间。
7.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的制备方法，其特征在于：步骤5)中干燥的条件为20-80℃下，空气中干燥10min-2h。
8.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的制备方法，其特征在于：步骤6)中ar气流速10-200sccm，升温速率为1-20℃/min，退火温度100-400℃，保温时间为0.1-6h。
9.一种还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极，其特征在于：采用如权利要求1-8任一项所述方法制备而成。
10.如权利要求9所述的还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极的用途，其特征在于，作为光阴极用于光电催化分解水。
技术总结
本发明公开了一种还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极及其制备方法和用途。本发明在掺入一定浓度的氧化石墨烯粉末下，以酒石酸锑钾为锑源，以硫代乙酰胺为硫源，用简便的水热还原法，在ITO导电玻璃上成功制备了还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光阴极，与单独的花球状硫化锑相比，成功地提高了光电催化分解水产氢的性能。本发明首次通过一步水热法得到了还原氧化石墨烯复合的花球状硫化锑基光电极，且该法制备的复合电极首次应用在光电阴极分解水产氢的用途中，该复合光阴极在可见光谱有更强的吸收，具有高效的光电催化分解水的活性。本发明方法设备简单，操作简便、制备过程绿色无毒，有利于大规模推广应用。
技术研发人员：朱丽萍,李增媛,覃超,梁容,江南
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23