[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

本發明公開了一種基于石墨烯上InGaN納米柱光電極無偏壓光電化學制氫系統與其應用。該體系包括光陽極、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；本發明使用石墨烯不僅拓寬了襯底的選擇范圍，同時可以充當導電電極使用，降低了成本；石墨烯還能與納米柱之間的形成肖特基勢壘，有利于分離光生載流子，增強載流子輸運性能，大幅度提高納米柱的光電性能；同時石墨烯的透光性能夠制備InGaN納米柱集成光電極，能拓寬光譜吸收、提高水分解所需光電壓，實現無偏壓光電水分解產氫。

技術領域

本發明涉及InGaN納米柱、光電極的集成、能源與催化領域，特別涉及一種基于石墨烯上InGaN納米柱光電極無偏壓光電化學制氫系統與應用。

背景技術

無偏壓光電化學水分解制氫在解決全球能源危機和環境問題方面顯示出巨大的潛力。InGaN納米柱具有可調的帶隙(0.65eV～3.4eV)，可通過改變銦的組分來調節光吸收，從而成為光電極的理想選擇。此外，InGaN納米柱具有適合水氧化還原反應的能帶位置，較長電荷擴散距離，高表面積與體積比以及出色的理論太陽能轉變氫能(STH)效率(～27％)，使得InGaN納米柱非常利于光電化學全水分解。然而，InGaN納米柱的體相和表面電荷快速復合以及緩慢的氧化反應動力學等問題，導致需要額外的偏壓來促進電荷轉移。因此開發基于InGaN納米柱無偏壓光電催化體系對于氫能源的制備具有重要的研究意義。

目前InGaN納米柱主要是生長在不透明的Si襯底上，對于構建無偏壓的光電催化體系具有一定的阻礙，主要體現在襯底的不透光，無法構成串聯電極，從而無法實現寬光譜的吸收以及高的光電壓的產生。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，首要目的在于提供一種基于石墨烯上InGaN納米柱光電極無偏壓光電化學制氫系統。本發明使用石墨烯不僅拓寬了襯底的選擇范圍，同時可以充當導電電極使用,大大降低了成本；石墨烯還能與納米柱之間的形成肖特基勢壘，有利于分離光生載流子，增強載流子輸運性能，大幅度提高納米柱的光電性能；同時石墨烯的透光性能夠制備InGaN納米柱集成光電極，能拓寬光譜吸收、提高水分解所需光電壓，實現無偏壓光電水分解產氫。

本發明再一目的在于提供上述納米柱光電極無偏壓光電化學制氫系統在太陽能產氫中的應用。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

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，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。

以上基于石墨烯上InGaN納米柱光電極無偏壓光電化學制氫系統中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(聚甲基丙烯酸甲酯)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；