电沉积温度对FeOOH与α-Fe2O3薄膜微观结构特征及带隙值的对比研究

《Heliyon》：A comparative study on the microstructural feature and band-gap value of FeOOH and α-Fe2O3 films electrodeposited at different temperatures

本研究针对电沉积温度对FeOOH和α-Fe2O3薄膜性能的影响机制展开系统研究。通过调控沉积温度（50-70℃），发现升高温度可形成粗化微观结构（聚集等轴颗粒），增大晶粒尺寸并降低带隙值。经500℃热处理后，无定形FeOOH转化为高结晶度α-Fe2O3，其带隙值（2.49-1.97 eV）显著高于FeOOH（1.52-2.15 eV）。该研究为优化光电化学水分解电池中光电极性能提供重要理论依据。

　　

在可再生能源技术迅猛发展的今天，光电化学（PEC）水分解电池因其能够直接将太阳能转化为氢能而备受关注。其中，光电极材料的选择成为决定电池效率的关键因素。铁基化合物如羟基氧化铁（FeOOH）和赤铁矿（α-Fe₂O₃）因其成本低廉、储量丰富以及优异的化学稳定性，被视为理想的光电极候选材料。特别是它们适宜的带隙值（约2.0-2.7 eV）使其能够吸收太阳光谱中约40%的辐射能量，展现出巨大的应用潜力。然而，这些材料的光电转换效率严重依赖于其微观结构特征，包括形貌、结晶度和带隙值等。尽管前人研究已探讨了电沉积参数如电流密度、电位等对铁基薄膜性能的影响，但关于沉积温度对FeOOH和α-Fe₂O₃薄膜微观结构及光学性能的系统对比研究仍较为缺乏。因此，深入理解电沉积温度对这两种铁基薄膜形成过程及其最终性能的调控机制，对于优化光电极制备工艺、提升PEC电池效率具有重要意义。本研究发表于《Heliyon》期刊，旨在填补这一研究空白。

研究人员主要采用阴极电沉积技术在氟掺杂氧化锡（FTO）衬底上制备薄膜，通过扫描电子显微镜（SEM）分析形貌，掠入射X射线衍射（GXRD）和拉曼光谱表征晶体结构，紫外-可见光谱（UV-Vis）测定光学性能，并利用威廉逊-霍尔方法计算晶粒尺寸。

3.1. 形貌表征

研究结果显示，所有沉积薄膜均呈现由密集堆积的球形聚集颗粒组成的形貌。随着电沉积温度从50℃升高至70℃，原始沉积态薄膜的平均颗粒尺寸从0.142微米增大至0.274微米。这归因于高温下电活性物质扩散速率加快，促进了颗粒生长。经500℃热处理30分钟后，薄膜颗粒尺寸进一步增大（0.207-0.629微米），表明退火过程促进了晶粒生长。截面分析表明，原始沉积态薄膜厚度随沉积温度升高而增加（从1.20微米增至1.48微米），而热处理过程对厚度影响不显著。

3.2. 结构表征

X射线衍射分析表明，原始沉积薄膜为FeOOH相，50℃沉积时呈无定形结构，60℃和70℃沉积时呈现六方晶系结构。经热处理后，FeOOH完全转变为赤铁矿α-Fe₂O₃（六方晶系）。威廉逊-霍尔分析显示，沉积温度升高导致晶粒尺寸增大，这是由于高温沉积时阴极过电位降低，成核速率减慢所致。退火处理进一步增大了晶粒尺寸，消除了高能晶界，使结构更稳定。拉曼光谱结果验证了物相组成，并表明高温沉积和热处理后薄膜结晶度提高。

3.3. 光学性能

紫外-可见吸收光谱显示，FeOOH薄膜的光吸收高于α-Fe₂O₃薄膜，且高温沉积的薄膜吸收较低。通过Tauc图计算带隙值发现，FeOOH薄膜的带隙随沉积温度升高从2.15 eV降至1.52 eV，α-Fe₂O₃薄膜带隙从2.49 eV降至1.97 eV。这种带隙变窄现象与晶粒尺寸增大相关，符合Kayanoma提出的尺寸效应模型。此外，α-Fe₂O₃薄膜带隙大于FeOOH，与其更高结晶度引起的吸收边蓝移有关。

本研究系统阐明了电沉积温度对FeOOH和α-Fe₂O₃薄膜微观结构和光学性能的调控规律。研究结果表明，通过简单调节沉积温度可实现薄膜形貌、结晶度和带隙值的精确调控。高温沉积（70℃）结合热处理可获得结晶度最高、带隙最低（1.97 eV）的α-Fe₂O₃薄膜，这接近于理想光电极材料的带隙值（约2.0 eV），有利于增强太阳光吸收。该研究为优化铁基光电极制备工艺提供了重要理论指导，对推进光电化学水分解技术的实际应用具有积极意义。