一种铁酸镧光电极及其制备方法和在锂-氧电池中的应用

摘要

本发明公开了一种铁酸镧光电极及其制备方法和在锂‑氧电池中的应用，属于光电催化与锂‑氧电池领域，本发明铁酸镧通过电沉积和一步热处理法，可原位生长在导电玻璃上，形成能够作为锂‑氧电池正极的电极材料，且其厚度可通过电沉积时间控制。该电极具有制备工艺简单，厚度可控，重复性良好等优点，将其组装在锂‑氧电池中，可以吸收紫外光和部分可见光，并把光能转换为化学能储存在电池中。利用光照下光电极所产生的光生电子，可以有效地促进锂‑氧电池中的氧还原过程，极大提高电池的工作电位，且能长时间保持稳定的工作状态。

说明书

技术领域

本发明属于光电催化与锂-氧电池领域，特别涉及一种铁酸镧光电极及其制备方法和在锂-氧电池中的应用。

背景技术

电能是目前发展最快也最成熟的绿色清洁能源之一，但目前电能的储存和再利用很难与传统化石能源相媲美。锂离子电池目前受限于正极材料的能量密度，其理论能量密度约为200-300 Whkg-1，难以达到与传统内燃机的能量密度相当的程度。锂-氧气电池因为其超高的理论能量密度（3505 Whkg-1），被认为是可取代锂离子电池，成为下一代主流的电能储存装置，受到了各国研究者的广泛关注。但非水系锂-氧电池放电产物Li

将光电半导体作为锂-氧电池正极材料，可以利用半导体产生的电子空穴对促进氧气的还原和放电产物的分解，从而降低锂-氧电池的充放电极化，提高电池的倍率性能、能量效率和循环稳定性。

发明内容

本发明提供了一种铁酸镧光电极及其制备方法和在锂-氧电池中的应用，制备得到的铁酸镧光电极不仅能将光能转换为电能；而且可以利用半导体产生的电子空穴对促进氧气的还原和放电产物的分解，从而降低锂-氧电池的充放电极化，提高电池的倍率性能、能量效率和循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铁酸镧光电极，该电极的组成为导电玻璃和生长在导电玻璃上的铁酸镧光电催化剂。其厚度可通过控制电沉积时间来限制在0.1~5.0 μm，其微观形貌为纳米多孔网络。铁酸镧吸收紫外光和部分可见光，产生光生电子和光生空穴，光生电子迁移至光电催化剂表面参与反应，光生空穴向内转移，通过导电玻璃和外电路达到电池负极参与反应。

一种铁酸镧光电极的制备方法，包括以下步骤：

1）将La(NO

2）以步骤1）得到的溶液为电解液，在三电极体系下进行电沉积，在导电玻璃上沉积得到La(OH)

3）将步骤2）中的前驱薄膜在空气氛围下进行550~650℃热处理，升温速率为1~5℃/min，时间≥3 h，得到原位生长的铁酸镧光电极。

以上所述步骤中，步骤1)中所述La(NO

步骤2）中三电极体系中Pt为对电极，导电玻璃为工作电极，参比电极选用饱和甘汞电极；所述薄膜厚度为0.1~5.0 μm；

所述导电玻璃在电沉积步骤前进行了预处理，预处理的具体步骤为：将导电玻璃分别浸泡在丙酮、乙醇和蒸馏水中并超声处理10~30 min，之后在60 ℃下干燥，可得到预处理后的导电玻璃。

电沉积过程在恒电流状态下进行，控制沉积时间为30~180 s，因为Fe(OH)

采用上述铁酸镧光电极作为锂-氧电池的正极，锂片作为负极，正负极间采用固态电解质相隔，避免氧气对锂片造成破坏。

有益效果：本发明提供了一种铁酸镧光电极的制备方法及其在锂-氧电池中的应用，通过采用光电半导体作为锂-氧电池正极，将吸收的光能直接转换为电能储存在电池中，并通过光生电子对氧气还原反应的催化，大幅提高电池的放电电位，提高电池的能量效率，为光电储能和金属空气电池等领域提供了新的思路和新的方向。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的铁酸镧光电极的XRD图谱；

图2是本发明实施例1的充放电曲线；

图3是本发明实施例2制备的铁酸镧光电极的UV-Vis图谱；

图4是本发明实施例3制备的铁酸镧光电极的电子扫描显微镜图；

图5是本发明实施例3制备的铁酸镧光电极侧面的电子扫描显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步说明：

实施例1

一种铁酸镧光电极的制备方法，包括以下步骤：

将0.45 g La(NO

所述的铁酸镧光电极是由铁酸镧和导电玻璃FTO组成；图1为制备的铁酸镧光电极的XRD图谱，可以观察到属于铁酸镧的衍射峰存在，证明了铁酸镧的成功制备。由铁酸镧电极作为正极，锂片作为负极，正负极间采用固态电解质相隔构成的锂氧电池的充放电曲线如图2所示，可以看到在光照下放电电位从2.64 V提高至3.24 V，具有良好的光响应性能，大幅降低了电池的充放电极化。

实施例2

一种铁酸镧光电极的制备方法，包括以下步骤：

将0.39 g La(NO

由图3可知实施例2中制备的铁酸镧光电极的光吸收边为580 nm，可吸收紫外光和部分可见光。

实施例3

一种铁酸镧光电极的制备方法，包括以下步骤：

将0.80 g La(NO

制备得到的电极的扫描电子显微镜图片如图4所示，可见在FTO表面形成了铁酸镧纳米多孔网络，均匀覆盖在FTO表面。从图5可以看到该铁酸镧层的厚度为3.95 μm。

对以上所述实施例中做出的说明，仅作为本发明优选的实施例而已，使本领域专业技术人员能够理解和实现本发明。本领域技术人员可在不改变本发明技术原理的情况下，对这些实施例进行改进和修饰，并在其他实施例中实现，这些改进和修饰也在本发明的保护范围之内。凡是根据本发明的技术原理做出的其他形式的替换或修改而实现的发明，也均在本发明的保护范围之内。