[發明專利]光電化學水裂解

有效

• 申請號: 201811300081.1
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109750311B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發明（設計）人: S·薩奇德夫;T·貝拉;R·M·巴達;U·斯里瓦斯塔瓦;A·沙瑪;G·K·阿查亞
• 申請（專利權）人: 印度石油有限公司
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B1/55;C25B11/04;C25B9/65
• 代理公司: 北京匯知杰知識產權代理有限公司 11587
• 代理人: 楊巍;蔡倫

本發明涉及光電化學水裂解，更具體地，公開了一種電極(300、400、500)。所述電極(300、400、500)包括襯底(302)。此外，所述電極(300、400、500)包括設置在所述襯底(302)上的第一導電層(304)。所述第一導電層(304)由氧化銦錫(ITO)和氟摻雜的氧化錫(FTO)中的至少一種形成。所述電極(300、400、500)還包括設置在所述第一導電層(304)上的至少一個半導體層(308、502)。此外，所述電極(300、400、500)包括分布于所述第一導電層(304)上且適于傳導來自所述電極(300、400、500)的電流的至少一個連接器(120、402、504)。

技術領域

本發明涉及水裂解，具體地涉及一種光電化學(PEC)模塊和用于執行PEC水裂解的方法。

背景技術

水裂解是指將水分解為氧和氫的化學反應。目前，采用如光電化學(PEC)水裂解的工藝來分解水，由此產生氫氣。PEC水裂解工藝包括設置在電解質溶液中的半導體電極。提供半導體電極以將太陽能直接轉換成化學能來分解水。具體地說，半導體電極將太陽能轉換成電子空穴對以進行氧化還原反應用于水裂解。

一般說來，半導體電極可由寬帶半導體材料或窄帶半導體材料制成。采用寬帶半導體材料的半導體電極能夠在太陽能存在下執行水裂解，而無需來自外部電壓電源的任何輔助。然而，寬帶半導體材料不能利用大部分太陽光譜來執行水裂解。

此外，采用窄帶半導體材料的半導體電極能夠利用大部分的太陽光譜。然而，窄帶半導體材料不能生成水裂解所需的足夠電壓。因此，采用窄帶半導體材料的半導體電極需要外部電壓電源用于提供足夠的電壓來執行水裂解。另外，各種高效材料如硅和III-V半導體(鋁、鎵、砷化物等)可用于半導體電極中。然而，這種高效材料在電解質如強電解質中是不穩定的，這使得這種高效材料在半導體電極中的使用不可行。因此，為了有效和高效地執行水裂解，需要半導體電極的按幾何比例放大。

然而，半導體電極的按幾何比例放大由于電阻損失而并不合適。具體地說，半導體電極包括由導電材料制成的襯底。一般說來，這種導電材料具有高的薄層電阻率，如果半導體電極的尺寸增加，這將造成電阻損失的增加。此外，半導體電極的電阻損失可造成通過半導體電極從太陽光譜利用的電流的減少。

美國專利7,459,065(以下簡稱’065專利)公開了一種用于制氫的大規模系統，其中用于水分解的能量主要獲自浸沒到電解質中的光電模塊。申請’065公開了一種使用日光(光電解)由水的分解生成氫氣的裝置。所述系統利用充滿水性流體的容器，其既用于裝待分解的水，也用作集光透鏡。光伏模塊被定位在最高效地接收來自充滿液體的容器的折射光的位置處。將耦合到光伏模塊的一對電極設置在流體中并且被配置來將水裂解為氫和氧。然而，’065專利中所公開的光伏模塊當浸沒于有待分解的水中時是不穩定的。

美國專利申請2004/0003837(以下簡稱’837申請)公開了一種集成式光伏-光電化學裝置。’837申請公開了光伏-光電化學裝置，其各自包括二極管和多個單獨的光電陰極元件。優選地，將裝置定位于容器中，在所述容器中裝置至少部分地浸沒于電解質中。優選地，將裝置定位于具有至少一個光電陰極反應產物出口和至少一個陽極反應產物出口的容器中。優選地，將所述裝置定位于容器中，所述容器具有從容器頂部向容器底部延伸但未達到容器底部的內部部分壁，所述內部部分壁被定位在光電陰極元件與陽極元件之間，所述陽極元件電連接到二極管的p-區域。然而，需要用于制造供水裂解用的裝置的復雜工藝。

發明內容

在本公開的一個實施方案中，提供了一種電極。所述電極包括襯底。所述電極還包括設置在該襯底上的第一導電層。第一導電層由氧化銦錫(ITO)和氟摻雜的氧化錫(FTO)中的至少一種形成。所述電極包括設置在所述第一導電層上的至少一個半導體層。此外，所述電極包括分布在所述第一導電層上的至少一個連接器。所述至少一個連接器適于傳導來自該電極的電流。