[發明專利]一種基于石墨烯上InGaN納米柱光電極無偏壓光電化學制氫系統與應用

有效

• 申請號: 202011562286.4
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112760668B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 李國強;劉乾湖;林靜;曾慶浩;張志杰;莫由天;鄧曦
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B1/55;C25B11/053;C25B11/091;C23C16/34;C23C16/50;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 饒周全

1.一種基于石墨烯上InGaN納米柱光電極制氫系統在無偏壓光電化學制氫中的應用，其特征在于該系統包括：

光陽極、光陰極、電解液、光源、電解池；

所述的光陽極結構從下至上依次為襯底、襯底上的石墨烯、生長在石墨烯上的InGaN納米柱，所述的光陰極結構從上至下依次為襯底、生長在襯底上的InGaN納米柱，所述光陽極與光陰極通過導線連接，并置于電解池中的電解液，通過光源模擬太陽光照射光電極進行氫氣的制備；

所述光陽極的制備包括以下步驟：

(1)襯底上的石墨烯的制備：采用濕法轉移的方法在襯底上轉移石墨烯膜，干燥后旋涂5％～10％PMMA溶液將石墨烯展平，干燥后洗去PMMA，得襯底/石墨烯；

(2)石墨烯上的InGaN納米柱的生長：采用分子束外延生長工藝，控制步驟(1)所得襯底/石墨烯的溫度為900～980℃，襯底/石墨烯轉速為5～10r/min，Ga束流等效壓強為1×10^-7～2.5×10^-7Torr，In束流等效壓強為2.0×10^-8～5×10^-8Torr，氮氣流量為2～5sccm，等離子體源功率為200-400W，生長時間1～3h，在步驟(1)所得襯底/石墨烯上生長InGaN納米柱；

(3)光陽極的制備：用In-Ga合金將導線與步驟(2)襯底/石墨烯中的石墨烯連接得到光陽極。

2.根據權利要求1所述的應用，其特征在于：步驟(1)所述襯底為單晶石英或藍寶石；步驟(1)所述光陽極襯底上石墨烯為單層、雙層或三層。

3.根據權利要求1所述的應用，其特征在于：步驟(2)所述光陽極襯底上InGaN納米柱中In原子在金屬原子所占的比例為5％～20％，納米柱高度為100～600nm,直徑為50～100nm，密度為100～300μm^-2。

4.根據權利要求1所述的應用，其特征在于：步驟(3)所述光陽極的制備采用單電極或雙電極串聯方式。

5.根據權利要求1所述的應用，其特征在于，所述光陰極制備包括以下步驟：

(1)襯底上InGaN納米柱的生長：采用分子束外延生長工藝，控制襯底溫度為900～980℃，襯底轉速為5～10r/min，Ga束流等效壓強為1×10^-7～2.5×10^-7Torr，In束流等效壓強為2.0×10^-7～5×10^-7Torr，氮氣流量為2～5sccm，等離子體源功率為200-400W，生長時間1～3h，在步驟(1)中襯底上生長InGaN納米柱；

(2)光陰極的制備：用In-Ga合金將導線與Si襯底背面連接。

6.根據權利要求1所述的應用，其特征在于：步驟(1)所述襯底為n型Si襯底；步驟(1)所述光陰極襯底上InGaN納米柱中In原子在金屬原子所占的比例為30％～40％，納米柱高度為100～600nm,直徑為50～100nm，密度為100～300μm^-2。

7.根據權利要求1所述的應用，其特征在于：

所述的電解液pH為0～14；所述電解液為H₂SO₄，NaOH，Na₂SO₄電解液中的至少一種。

8.根據權利要求1所述的應用，其特征在于：所述的光源照射電極方式為平行光照射或者全照射。