[發明專利]一種兼具吸光和催化性能的多功能溫差發電器件及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201810909977.3
• 申請日: 2018-08-10
• 公開（公告）號: CN109037423B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 周偉家;趙莉莉;劉宏;桑元華;賈進
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32;H01L35/30;H01L35/34;C25B11/052;C25B11/054;C25B11/075;C25B11/081;C25B1/04;C25B11/091;C25B11/097
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業) 37240
• 代理人: 劉亞明

本發明涉及一種兼具吸光和催化性能的多功能溫差發電器件，包括上絕緣陶瓷片、下絕緣陶瓷片、與下絕緣陶瓷片接觸的正極、與上絕緣陶瓷片接觸的負極、位于上下絕緣陶瓷片之間且連接正負極的2^N個相互串聯的溫差發電單元，在所述負極上負載同時具有光熱效應和電解水催化產氫性能的金屬納米材料層。還公開了多功能溫差發電器件的制備方法及其在電解水產氫中的應用。本發明的溫差發電器件能夠同時利用金屬納米材料的光熱轉換效應和電催化析氫性能，實現熱電驅動元件與電解水產氫元件的集成一體化。既可以驅動電解水反應，又因金屬納米材料高的析氫催化活性而降低所需要的產氫過電勢，有利于電解水產氫反應的進行。

技術領域

本發明涉及溫差發電電子器件技術領域，具體涉及一種兼具吸光和催化性能的多功能溫差發電器件及其制備方法與應用。

背景技術

隨著能源和環境問題的日益嚴重，氫氣作為一種清潔可再生能源，被認為是最有潛力的替代化石燃料的能源之一。因此，大規模、廉價地生產氫氣是開發和利用氫能的重要環節之一。電解水產氫技術具有清潔無污染和高效等優勢，并且可以結合太陽能和風能等分布式能源，將多余的電能轉化成可存儲的氫能源，降低電解水產氫成本，是實現大規模生產氫氣的重要手段。利用太陽能制備清潔高燃燒值的氫能是一種潛在的、低成本制備氫能源的理想途徑。

傳統上實現太陽能向化學能轉換的方式主要包括粉末懸浮體系的光催化分解水、光伏電池發電耦合電解水和光電催化分解水的技術。粉末懸浮體系的光催化分解水的太陽能利用率非常低，而且通常需要加入犧牲劑，無法同時實現產氫產氧；光伏電池發電耦合電解水技術的太陽能利用效率比較高，但是因為兩個體系是獨立的，且兩者之間存在連接和匹配的問題，使得裝置特別復雜；而光電催化分解水的技術雖然能夠將光能的吸收利用和電解水過程結合在一個電解池中，但是因為光催化劑與電催化劑之間的協同作用機制比較復雜，光催化劑半導體的選擇范圍很小，限制了其應用。因此，探索其他的太陽能向化學能轉換的方式對于提高太陽能的利用率并結合電解水過程具有十分重要的意義。

溫差發電器件是一種將熱能轉換成電能的器件。其主要以塞貝克效應(Seebeckeffect)為基礎。溫差發電的基本原理是：N型和P型兩種不同類型的半導體熱電材料經過導電性好的導流片串聯而成，當熱端加熱時，使器件的兩端建立起溫差，兩種載流子都流向冷端，形成溫差發電器。一般的商用溫差發電器件是有18組-128組這樣重復排列的熱電單元，通過串聯或并聯來達到所需要的功率。它具有其他發電形式不可比擬的優點：安全可靠，使用壽命長，維護費用低，沒有噪聲；可以利用太陽能、放射性同位素輻射等熱源；能適應任何特殊氣候的地區使用。但現有技術的溫差發電器件仍然有不足之處，主要不足在于冷端與熱端的溫差太小，導致熱能向電能轉換的效率較低，不能夠實現在電催化分解水中的應用。

發明內容

為了解決現有溫差發電器件存在的技術問題，本發明提供一種兼具吸光和催化性能的多功能溫差發電器件及其制備方法與應用，本發明的多功能器件是通過利用金屬納米材料的光熱效應和電解水催化產氫性能，與溫差發電片耦合得到的。

本發明是通過如下技術方案實現的，本發明一方面提供一種兼具吸光和催化性能的多功能溫差發電器件，包括上絕緣陶瓷片、下絕緣陶瓷片、與下絕緣陶瓷片接觸的正極、與上絕緣陶瓷片接觸的負極、位于上下絕緣陶瓷片之間連接正負極的2^N個相互串聯的溫差發電單元，在所述負極上負載金屬納米材料層。

上絕緣陶瓷片作為溫差發電器件的熱端，下絕緣陶瓷片作為溫差發電器件的冷端，負載在負極上的兼具吸光和催化產氫性能的金屬納米材料層。一方面金屬納米材料層作為熱電器件熱端的光熱材料進行光熱轉換，能夠有效提高溫差發電器件熱端和冷端的溫度差，從而有利于輸出高電壓，提高其輸出效率。另一方面，金屬納米材料也具有高的電解水催化產氫活性，其高效的析氫催化活性能有效的降低產氫過電勢，提高電解水產氫效率。將金屬納米顆粒與溫差發電器件耦合，同時利用金屬納米材料的光熱轉換效應和電催化析氫性能，實現熱電驅動元件與電解水產氫元件的集成一體化。

原理：