[發明專利]一種水分解制氫復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110709372.1
• 申請日: 2021-06-25
• 公開（公告）號: CN113289622B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 李陽;任南;蘇超;卞婷;郭峰;范新宇
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B01J23/648
• 分類號: B01J23/648;B01J23/89;B01J37/02;B01J37/08;B01J37/34;C01B3/04
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 郭俊玲

本發明提供一種水分解制氫復合材料及其制備方法，涉及能源化學、能源材料和催化技術領域，該復合材料自上而下包括產氫催化劑層、能量吸收層、基底層、產氧催化劑層，其中，能量吸收層采用逆向生長的單晶氧化亞銅薄膜，可實現光能與熱能的聯合轉換；產氫催化劑層為透明或半透明狀的金屬產氫活性位。產氧催化劑層采用過渡金屬、過渡金屬合金、及其氧化物。本發明一方面實現了氧化亞銅單晶薄膜的可控生長，另一方面實現了多種能量形式利用的水分解制氫復合材料，能夠應用于半導體、光伏、催化，以及熱電轉換等領域。

技術領域

本發明涉及半導體材料、能源技術、催化化學領域，具體地說，是一種兼具光能轉換與熱能轉換能力的水分解制氫復合材料及其制造方法。

背景技術

氫能是國際上公認的清潔能源，作為化石燃料的替代品，以其低碳、可再生等優點逐漸脫穎而出。21世紀，中國、美國、日本、加拿大、歐盟等都制定了氫能發展規劃，并且我國已在氫能領域取得了多方面的進展。利用太陽能進行氫氣的生產可以實現不同清潔能源之間的轉換，實現最為理想的氫能產生與能量儲存形式。同時，太陽能中又包含大量的紅外熱能，如何同時高效利用光能與熱能兩種能量形式，也是目前研究與開發的熱點技術。

傳統的水分解制氫技術以電解水為基礎，存在成本高、耗能大、效率低等問題（CN201380001460.X）。另一方面，自Fujishima和Honda在1972年開創了半導體光催化水分解制氫技術以來，采用光催化材料實現光能至氫能的轉換成為水分解制氫的另一途徑。相關專利，如CN201980017033.8，公開了一種起始電位優異的水分解裝置，其產氫電極包含p型CIGS和n型CdS作為吸光層，及其上部的助催化劑層用于加速產氫；產氧電極由基底層、導電層、光催化劑層組成。專利CN201780045260.2公開了一種混合光電化學水分解裝置，在p型單晶硅的（111）晶面上外延生長InGaN層并在其上部暴露出InN量子點作為產氧電極，n型單晶硅（100）晶面作為產氫電極，使其能夠在被可見光或紫外光照射時將水分解成氫氣和氧氣。

由此可見，目前的技術發明主要集中于對電催化材料與光催化材料的改進。技術短板也是顯而易見的，采用電能作為能量來源實施電解水制氫制氧，存在成本高、耗能大、效率低等問題。采用光催化技術實現水分解制氫制氧，存在能源利用形式單一、轉換效率低等問題。因此，研發一套具有多種能量轉換形式、性能優良、穩定性好、成本低廉的水分解制氫復合材料，是目前的迫切需求。

以往，氧化亞銅薄膜的電化學生長均在強堿性條件下進行，如2011年，Paracchino等報道了在pH=12的強堿性環境下獲得的氧化亞銅薄膜表現出了較高的光電流特性（Nature Materials, 2011, 10, 456.）。2015年，Dias等同樣在強堿性環境下獲得了氧化亞銅薄膜，并采用原子層沉積技術對其進行保護，最終增強了氧化亞銅薄膜的穩定性（Advanced Energy Materials, 2015, 5, 1501537.）。2018年，Aggarwal等報道了在強堿性環境中生長的氧化亞銅薄膜表現出了較高的霍爾遷移率（Rapid Research Letters2018, 12, 1700312.）。但對于在弱堿性條件下是否可以生長出氧化亞銅單晶薄膜，是否可以在薄膜兩側暴露出兩類獨立的晶面，及其物理化學性質一直以來缺乏探索和認知。

另一方面，雖然有報道顯示可以在不同pH環境下合成氧化亞銅單晶顆粒，但該技術方案下合成的單晶顆粒不能形成連續相，不能構成大尺度的薄膜化功能器件，同時，顆粒與顆粒之間相互獨立，多縫隙、多晶界，造成極大的界面電阻，不利于電荷傳輸，可想而知，相較于單晶薄膜而言，單晶顆粒存在較大的技術缺陷。

發明內容

本發明根據氧化亞銅單晶薄膜晶面能量差異，研發了可以綜合利用光能與熱能以實現水分解產氫產氧的復合材料，從能源利用形式上與以往發明具有顯著不同，具有更廣泛的適用性與應用領域。