重庆师范大学：BiVO4薄膜电极材料制备及其光电催化性能研究虚拟仿真实验-服务案例-高校虚拟教学仿真软件

公司与重庆师范大学合作，开发“BiVO₄薄膜电极材料制备及其光电催化性能研究虚拟仿真实验”课程。

实验目的

在目前已有的可再生资源中，太阳能是最理想的能源。因为太阳能是完全可再生的并且是巨大的，太阳平均每小时送达地球的能量和目前全球一年的能源消耗是相同的。虽然太阳能的利用具有广阔的前景，但是由于其大规模的分散性使得太阳能转化及储存技术变得至关重要。

目前在太阳能的利用技术中，光电催化分解水制氢技术将会是影响最深远的一种方式。原因如下：① 氢气是低温室效应能源形式中最有潜力的能源载体之一，具备高能量密度和环境友好性；② 太阳能分解水制氢技术中所用的水和太阳光都是普遍易得、可再生的资源。制备能够满足目前全球一年的H₂使用量所需要的水仅是年降水量的0.01%或全球海洋水含量的2×10^–6 %；③ 分解水的产物H₂和O₂可以在不同的电极上产生，可以避免在同一容器中产生大量的危险气体；④ 太阳能分解水制得的氢气不仅可以以液态的形式储存起来作为替代汽油的能源形式，也可以用于燃料电池形成比使用化石燃料更有效更分散的电能设备；⑤ 光电催化分解水制氢技术可以在常温下进行，并且所用的无机电极材料相比有机和生物材料具备更优良的稳定性，这对于光能转化体系有效地运用于实践中是至关重要的。

在众多的半导体材料中，单斜晶BiVO₄作为一种最有希望的光阳极材料之一受到研究者的广泛关注。适中的禁带宽度使其能够吸收多达11%的太阳光谱能量。假设太阳能转化为氢能的量子效率为100%，在AM1.5G标准太阳光下BiVO₄可以达到约7.5 mA cm^-2的光电流密度。合适的能带位置，即BiVO₄的导带底大概位于0 V vs RHE左右，这使得BiVO₄能够在较低的偏压之下就能产生较高的光电流密度。连续离子层吸附及反应（SILAR）方法作为一种薄膜材料制备方法，易操作、对仪器设备要求低，且利用该方法制备的薄膜可以直接生长在导电基底上，有利于电荷的传导，对于薄膜材料在光电催化方面的应用很有帮助。由于单斜晶BiVO₄是最有希望的光阳极材料之一，因此开发一种新的方法来制备高质量高性能的BiVO₄薄膜将会有力地拓展光阳极材料制备方法库。

因此，本项目利用SILAR方法在FTO导电玻璃基底上制备合成BiVO₄薄膜材料，继而通过退火处理使得BiVO₄结晶，再采用XRD、SEM等手段对材料进行性质表征，最后基于该材料进行光电催化水分解反应性能测试。

本项目的实验目的包括：

（1）学习纳米薄膜材料的连续离子层吸附及反应制备方法；

（2）掌握薄膜材料光电催化分解水测试方法；

（3）学习薄膜制备及性能测试仪器设备使用方法；

（4）掌握连续离子层吸附及反应方法的基本原理。

实验原理

（1）薄膜制备原理

首先对FTO导电玻璃进行表面清洁处理，干燥后将其先浸入Bi(NO₃)₃前驱液，此时一部分含有Bi³⁺的前驱液会通过范德华力吸附在FTO表面，随后将其浸入NH₄VO₃前驱溶液，此时VO^3-阴离子将与Bi³⁺发生化合反应，生成无定形态的水合BiVO₄·nH₂O，该反应在FTO表面进行，生成的固态物质一部分附着在FTO表面，一部分扩散到溶液中（形成沉淀）。

随着循环圈数的增加，FTO表面生成的物质越来越多，薄膜厚度越来越厚。一定圈数之后，将附着有BiVO₄·nH₂O薄膜的FTO冲洗，洗掉表面多余的反应前驱液，进行干燥。在500摄氏度左右退火处理后，BiVO₄·nH₂O中的化合水将会被除去，无定型态的BiVO₄也会在高温下结晶形成晶体结构（单斜晶系的BiVO₄结构）。

（2）光电化学测试原理

光电催化分解水由两个半反应组成，一个是水的氧化反应，一个是水的还原反应，分别在光阳极和光阴极上进行。图中给出了三种常见的光电化学分解水反应池，通过组装成不同类型的光电化学反应池可以实现光电分解水制氢。图a给出的光电反应池中光阳极为n 型半导体材料，当入射光能量大于或等于半导体禁带宽度时，价带中的光生空穴转移到半导体材料表面氧化水产生O₂，跃迁到导带的光生电子通过外电路转移到对电极上（比如Pt电极）还原水产生H₂。图 b 所示的光电反应池，p 型半导体材料作为光阴极，当能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射光阴极时，跃迁到导带的光生电子转移到半导体材料表面还原水产生H₂，价带中产生的空穴则通过外电路转移到对电极上 (例如Pt电极)氧化水产生O₂。图 c 给出的光电反应池中，n 型半导体材料和 p 型半导体材料串联成一个电解池，当入射光能量大于或等于半导体禁带宽度时，光生电子转移到光阴极表面还原水产生H₂，光生空穴则转移到光阳极表面氧化水产生 O₂。