[發明專利]一種全薄膜硅半導體雙電極無偏壓光電催化全分解水產氫的體系及其應用

有效

• 申請號: 202010084395.3
• 申請日: 2020-02-10
• 公開（公告）號: CN111188058B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 張堅;張豆豆
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B1/55;C25B11/059;C25B11/077;C25B11/081;C23C16/50;C23C16/24;C23C14/35;C23C14/16;C23C14/08;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 蔣歡妹;莫瑤江

本發明公開了一種全薄膜硅半導體雙電極無偏壓光電催化全分解水產氫的體系及其應用，該體系包括光陽極、光陰極、電解液、光源、電解池，所述光陽極的結構依次為襯底層、n/i/p結構的單節硅薄膜、氧化物薄膜，所述光陰極的結構依次為襯底層、p/i/n結構的單節硅薄膜、產氫金屬納米顆粒，首例以硅薄膜電極結合催化劑組成全薄膜硅半導體兩電極體系，實現了無偏壓全分解水效率0.92％，為實現大規模的可持續太陽能制氫提供了希望和策略。

技術領域：

本發明涉及一種全薄膜硅半導體雙電極無偏壓光電催化全分解水產氫的體系及其應用。

背景技術：

光電化學分解水產氫可以直接把太陽能轉化并儲存為化學能，是利用潔凈能源的關鍵技術之一。半導體材料是構筑太陽能光電轉化的主體，而界面間良好的電荷轉移以及穩定的助催化劑是實現太陽能高效轉化成氫氣的必要條件。半導體光電極和光伏(PV)材料的共同特性是光吸收、電荷分離和電荷轉移。對于一個光電化學器件，應考慮三個因素：一個是用于析氫(HER)或析氧反應的(OER)的催化劑利用電子/空穴的能力。另一個是光電極在強酸或者強堿溶液中的穩定性。最后一個則是光電極材料，它是進行光捕獲、電荷分離和催化半反應的關鍵部分。硅材料已廣泛應用于光伏產業，相對于其他半導體材料，具有無可比擬的優勢。因為它在光吸收、載流子濃度、載流子傳輸能力、電極織構化結構上都比其他半導體材料有明顯的優勢，再加上硅半導體材料因為具有高吸收系數，寬吸收光譜，成熟的制備技術以及豐富的儲量，是PEC系統理想光電極選擇之一。目前，晶硅、薄膜硅基光電極(包括非晶、微晶和納米晶硅)以及其他光伏器件均在分解水半反應方面取得了很大進展，在全分解水方面仍受析氧反應遲滯的界面反應動力學影響，需要額外偏壓才能實現全分解水。此外，薄膜硅在溶液中的電化學不穩定，特別是在富氧環境中更為嚴重，利用薄膜硅實現太陽能分解水產氫仍具有挑戰。雖然晶體硅擔載Pt、CuCo、Mo₂Se，光電流可以實現30mA/cm²，具有n⁺np⁺-Si結構晶硅可以達到10％的半反應太陽能制氫(STH)效率。然而，由于所產生的開路電壓不足以抵消1.23V和過電位這個能量限制，目前還未實現以單結的硅薄膜結構進行全分解水。

發明內容：

本發明的目的是提供一種全薄膜硅半導體雙電極無偏壓光電催化全分解水產氫的體系及其應用，首例以硅薄膜電極結合催化劑組成全薄膜硅半導體兩電極體系，實現了無偏壓全分解水效率0.92％，為實現大規模的可持續太陽能制氫提供了希望和策略。

本發明是通過以下技術方案予以實現的：

一種全薄膜硅半導體雙電極無偏壓光電催化全分解水產氫的體系，該體系包括光陽極、光陰極、電解液、光源、電解池，所述光陽極的結構依次為襯底層、n/i/p結構的單節硅薄膜、氧化物薄膜，所述光陰極的結構依次為襯底層、p/i/n結構的單節硅薄膜、產氫金屬納米顆粒薄膜，所述的電解液為0.5～1.2M的KOH溶液；將所述的光陽極與光陰極采用硅膠封裝出相同面積的電極，插入電解池中，內含有0.5～1.2M的KOH溶液，并且通過外電路導線連通；開啟光源分別照射所述的光陽極和光陰極，此時所述的光陽極和光陰極分別發生氧化與還原反應并通過外電路形成回路，從而實現無偏壓光電催化全分解水產氫。

特別地，n/i/p結構的單節硅薄膜或p/i/n結構的單節硅薄膜，其中n層厚度為60-80nm,I層厚度300-400nm,p層厚度為20-40nm。

所述襯底包括透明導電玻璃或柔性不銹鋼或高分子薄膜。

所述氧化物包括CoOx、NiOx、RuOx、NiFeOx等氧化物，其中x為1-2.5。

所述產氫催化劑包含金屬如Pt、Ni等金屬或其合金或過渡金屬化合物，例如硫化物MoSx等,碳化物Mo₂C，磷化物MoP，氫氧化物等。