[發明專利]一種Ta3N5光陽極及制備方法和應用

在審

• 申請號: 201310040994.5
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103966623A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 鄒志剛;羅文俊;李明雪
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C25B11/04
• 分類號: C25B11/04;C25B1/04;C25B9/04;C23C8/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發明涉及光電極的制備方法，特別是一種Ta₃N₅光陽極制備方法，該光陽極能顯著提高太陽能分解水制氫效率的。

背景技術

能源危機是人類在現今和未來面臨的巨大挑戰之一。目前，化石能源是人類賴以生存的主要能源，但化石能源的儲量有限，價格也一路攀升。另外，化石能源的大量使用，會排放出CO₂、硫化物等污染物，破壞環境，危害人類健康。用可再生能源替代化石能源是解決能源、環境危機的有效途徑。太陽每秒鐘照射到地球上的能量高達173000太瓦，相當于500萬噸標準煤所蘊藏的能量。因此，太陽能是當前最受矚目的新能源。目前，人工太陽能轉換主要靠光伏器件將太陽能轉化成電能，但如果在晚上或陰天，就無法使用。光電化學電池能利用半導體與電解液的直接接觸來達到太陽能轉化和存儲的目的，它利用太陽光分解水制氫氣，直接把太陽能轉化成化學能儲存起來，是一種集光的轉化和存儲于一體的廉價的具有巨大潛在應用價值的方法。但目前還有很多問題有待解決，其中水分解的理論最低電壓為1.23V，如果考慮析氫析氧過電位、接觸電阻等損失，單一半導體分解純水的最小帶隙要達到2.0eV，遠遠寬于太陽能電池的理論最優帶隙1.4eV，如果再考慮光反射損失、量子效率損失、以及電荷收集損失等因素，單一材料的最高太陽能分解水轉換效率理論最大值只有約10%。而如果采用p-n型雙光子系統，則理論最高效率可達27%，考慮各種損失后依然有16%的效率。因此，雙光子系統有利于獲得更高的效率。在雙光子系統中，n型光陽極和p型光陰極通過歐姆接觸串聯在一起，因此，雙光子系統中光電流的大小取決于光電流較小的電極。目前，有很多p型光陰極，如p-Si,p-InP等，都可以獲得很高的光電流，15～37mA/cm²。但是，和這些p型光陰極相比，n型光陽極材料的光電流則都很低，在標準太陽光AM1.5G（100mW/cm²）的照射下，目前報道的WO₃、BiVO₄、Fe₂O₃等材料在1.23V下的光電流都小于4mA/cm²，這也是雙光子系統分解水制氫的瓶頸。因此，光電化學分解水制氫的關鍵是找到高效的n型光陽極材料。

Ta₃N₅的帶隙為2.1eV，能夠很好的利用可見光，并且其導價帶位置合適，理論上可不加偏壓分解水，是很有潛力的n型陽極材料。但目前來說，即使是繁瑣的制備方法（Al₂O₃模板法）得到的Ta₃N₅光陽極，其在一個太陽的照射下，在1.23V處的光電流也小于4mA/cm²。之前已經有人報道了Ta片先氧化再氮化制備Ta₃N₅光陽極，然而這種方法制備的Ta₃N₅的量子轉化效率非常低，約1.3％（在450nm波長下）。

發明內容

本發明目的是提供一種Ta₃N₅光陽極制備方法，制備的Ta₃N₅光陽極能顯著提高太陽能分解水制氫的效率。

本發明采用以下技術方案：

一種Ta₃N₅光陽極制備方法，其特征在于，具體步驟如下：

將清洗過的Ta片放入爐一中，空氣氣氛下，在氧化溫度為550～700℃加熱5～300分鐘，得到Ta₂O₅/Ta；把得到的Ta₂O₅/Ta放入爐二中，氨氣氣氛下，在氮化溫度為700~950℃加熱1~20小時，得到Ta₃N₅/Ta；當氧化溫度為590℃～700℃時，氮化后Ta₃N₅/Ta表面鈍化層會自動熱剝離，當氧化溫度＜590℃時，氮化后機械剝離Ta₃N₅/Ta表面鈍化層；制備得到表面剝離鈍化層的Ta₃N₅光陽極。

進一步地，所述Ta₃N₅光陽極的表面擔載助催化劑。