[發(fā)明專利]結(jié)合原電池和光電化學(xué)電池的光電化學(xué)制氫裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410024862.8
• 申請(qǐng)日: 2014-01-20
• 公開（公告）號(hào): CN103757656A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李小東;王斌;程建麗;倪偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院化工材料研究所;四川省新材料研究中心
• 主分類號(hào): C25B1/02
• 分類號(hào): C25B1/02;C25B9/04;C25B11/02;C25B11/04
• 代理公司: 四川省成都市天策商標(biāo)專利事務(wù)所 51213
• 代理人: 劉興亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能制氫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合原電池和光電化學(xué)電池的光電化學(xué)制氫裝置。

背景技術(shù)

自從1968年Boddy證實(shí)了TiO₂半導(dǎo)體電極可以產(chǎn)生氧氣，1972年Honda和Fujishima證實(shí)了TiO₂半導(dǎo)體電極在光照下可以產(chǎn)生氫氣之后，太陽能制氫技術(shù)被認(rèn)為是一種最佳的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。這主要得益于：（1）氫能可以方便地轉(zhuǎn)換為熱能或者電能，同時(shí)不會(huì)放出任何污染物；（2）氫能可以由水裂解而制備，而且氫能利用之后的產(chǎn)物為水，屬于清潔可再生能源；（3）結(jié)合了太陽能的光電化學(xué)制氫在解決能源問題的同時(shí)也有益于環(huán)境問題的緩解。早期的光電化學(xué)制氫研究主要集中在二氧化鈦（TiO₂）納米結(jié)構(gòu)光陽極的開發(fā)方面。TiO₂由于具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)和帶隙寬度、高的光電活性以及耐光腐蝕、成本低廉、易于制備、具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛的研究興趣。然而，TiO₂由于具有以下缺點(diǎn)而限制了其光電化學(xué)制氫效率的提高：（1）TiO₂屬于寬帶隙半導(dǎo)體材料（銳鈦礦相：3.2eV，金紅石相：3.0eV），對(duì)可見光幾乎沒有響應(yīng)；（2）由于TiO₂材料低的電子遷移率導(dǎo)致光生電子空穴對(duì)復(fù)合損失嚴(yán)重，直接限制了制氫效率的提高。為了解決以上問題，人們發(fā)展了多種改進(jìn)技術(shù)：（1）開發(fā)帶隙較窄的替代材料，如α-Fe₂O₃、WO₃等；（2）通過TiO₂材料的摻雜以改變其帶隙，包括金屬（Fe、Sn等）和非金屬（C,N等）摻雜；（3）用多種敏化劑對(duì)TiO₂材料進(jìn)行敏化以拓寬其光譜響應(yīng)范圍，如染料敏化、半導(dǎo)體量子點(diǎn)（CdS、CdTe、CdSe等）敏化、貴金屬納米材料敏化等。雖然，在太陽能制氫裝置在多方面取得了成果，然而通過合理的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到帶隙匹配、能帶布局合理以進(jìn)一步提高光電化學(xué)制氫裝置的效率仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

另一方面，目前的太陽能制氫裝置的輸出電壓遠(yuǎn)低于水分子裂解的理論值（1.23V），因此通常需要加一個(gè)較大的偏壓才能進(jìn)行有效的光電化學(xué)制氫。而偏壓的加入無疑降低了太陽能制氫的優(yōu)勢(shì)。因此尋找降低所需外加偏壓甚至發(fā)展零偏壓（自驅(qū)動(dòng)）的光電化學(xué)制氫裝置是目前研究的關(guān)鍵。

鑒于目前光電化學(xué)制氫裝置陽極的缺陷和發(fā)展零偏壓制氫裝置的必要性，本發(fā)明提出了一種全新的結(jié)合原電池和光電化學(xué)電池的光電化學(xué)制氫裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種光譜響應(yīng)寬（主要吸收可見光）、制氫效率高、無需外加偏壓，和制備工藝簡(jiǎn)單廉價(jià)，環(huán)境友好的光電化學(xué)制氫裝置統(tǒng)。

為了達(dá)到上述的技術(shù)效果，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種結(jié)合原電池和光電化學(xué)電池的光電化學(xué)制氫裝置，包括：陽極、對(duì)電極和電解液，所述的電解液設(shè)置在陽極和對(duì)電極之間；

所述的陽極和對(duì)電極之間用導(dǎo)線連接；

所述的陽極由導(dǎo)電基底和附著在導(dǎo)電基底上的能級(jí)匹配的半導(dǎo)體納米薄膜組成。本裝置中所述的陽極、所述電解液和所述對(duì)電極結(jié)合同時(shí)產(chǎn)生原電池效應(yīng)和光電化學(xué)光伏效應(yīng)，兩者的疊加有利于提高光電化學(xué)制氫裝置的性能。

進(jìn)一步的技術(shù)方案是：所述的對(duì)電極為Pt片或Pt網(wǎng)或Pt絲。

進(jìn)一步的技術(shù)方案是：所述的電解液為含有還原劑的水溶液。

進(jìn)一步的技術(shù)方案是：所述的電解液為含有S^2-或I^-的KOH水溶液。

進(jìn)一步的技術(shù)方案是：所述的半導(dǎo)體納米薄膜為附著在導(dǎo)電基底上的CdS量子點(diǎn)敏化的SnO₂-TiO₂核殼結(jié)構(gòu)薄膜。