[發明專利]一種基于單電極雙功能的太陽光輔助的薄膜光電極材料及鐵空氣電池

在審

• 申請號: 202211545797.4
• 申請日: 2022-12-05
• 公開（公告）號: CN116031419A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 張宇;侯星;藺春琨;李娜;李越文
• 申請（專利權）人: 遼寧大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88;H01M12/08
• 代理公司: 沈陽杰克知識產權代理有限公司 21207
• 代理人: 楊華

本發明涉及金屬空氣電池技術領域，具體涉及一種基于單電極雙功能的太陽光輔助的薄膜光電極材料及鐵空氣電池。薄膜光電極材料制備方法如下：用電沉積和煅燒的方法先制備BiVOsubgt;4/subgt;光電極材料，在BiVOsubgt;4/subgt;基礎上用電沉積的方法沉積Cusubgt;2/subgt;O薄膜，用煅燒的方法將Cusubgt;2/subgt;O氧化為CuO得到BiVOsubgt;4/subgt;?CuO薄膜光電極材料。鐵空氣電池是以KOH溶液作電解液，以鐵片作金屬電極，以BiVOsubgt;4/subgt;?CuO薄膜光電極材料作空氣電極進行組裝，置于容器中得到鐵空氣電池。本發明制備了具有優異的光催化活性的材料，將光引入到鐵空氣電池中，在光照條件下將低充電電壓，提升放電電壓。實現了太陽能、化學和電能的協同轉化，為可充電鐵空氣電池開辟了一條新的途徑。

技術領域

本發明涉及金屬空氣電池技術領域，具體涉及一種基于單電極雙功能的太陽光輔助的薄膜光電極材料及鐵空氣電池。

背景技術

隨著傳統化石燃料的枯竭以及帶來的環境污染問題日益嚴重，開發和利用豐富、清潔的可再生能源是一個緊迫的問題。尋求先進的、可持續的、環境友好的能源轉換設備是現代社會的一大挑戰。在這方面，金屬-空氣電池由于其理論能量密度高、環境友好、低成本等特點，被認為是極具發展潛力的新能源技術。金屬-空氣電池繼承并融合了傳統電池和燃料電池的優點，具有極高的理論能量密度。在眾多的金屬空氣電池中，鐵(Fe)是一種廉價、安全、環保的陽極材料，因為鐵比其他金屬空氣電池重，所以鐵-空氣電池與其他金屬空氣電池比具有相對較低的能量密度。但是，它比Li、Mg或Al更耐腐蝕，但也會導致自放電率相對較低。另一方面，鐵在熱力學上是可充電的。與Zn金屬電極相比，Fe金屬電極可以防止枝晶現象，能夠維持更多的充放電循環，尤其是在堿性溶液中。

目前，太陽能已被廣泛應用于各種電化學裝置中，以改善反應動力學，降低過電位，如析氫反應和污染物降解。在光輔助金屬空氣電池中，太陽能可以直接轉化為化學能在轉化為電能，可以將電能存儲在電極上。本發明采用傳統半導體材料—BiVO₄-CuO作為鐵空氣電池的空氣電極，在光照條件下可顯著降低充電電壓，從1.97V降低至1.6V，提升放電電壓，從0.81V提升至1.08V。

鐵空氣電池的電催化劑受到了極大的關注，但是目前，基于陽光促進策略的可充電鐵空氣電池的研究則相對較少，而且設計出具有優異的光催化活性和穩定性的雙功能材料光電極是亟待解決的難題。

發明內容

本發明利用電化學沉積法以及煅燒的方法制備出了具有優異的光催化活性的BiVO₄-CuO電極材料，組裝成鐵空氣電池，進行光電化學測試，經過測試表明該材料在光照下可以大幅度降低電池的充電電壓，提升放電電壓，實現了太陽、化學能、電能三者的協同轉化。

本發明采用的技術方案是：一種基于單電極雙功能的太陽光輔助的鐵空氣電池，制備方法包括如下步驟：用電沉積以及煅燒的方法先制備BiVO₄薄膜，用電沉積的方法制備BiVO₄-Cu₂O薄膜，將其煅燒后得到BiVO₄-CuO薄膜，將制好的光電極材料和鐵片進行組裝，即得到鐵空氣電池。

優選地，上述的一種基于單電極雙功能的太陽光輔助的鐵空氣電池，所述的BiVO₄薄膜的制備方法包括如下步驟：將3.32g?KI、0.97g?Bi(NO₃)₃·5H₂O溶于50ml去離子水中，用硝酸調節其pH，在上述溶液中加入提前配好的對苯醌和乙醇的混合溶液，以導電玻璃(FTO)為基底，用電沉積的方法將BiOI沉積在FTO上，用去離子水沖洗，自然條件下晾干，最后在BiOI薄膜上滴加含有乙酰丙酮氧釩的二甲亞砜溶液，在馬弗爐中煅燒，冷至室溫后浸入氫氧化鈉溶液，用水沖洗、晾干就可得到BiVO₄光電極。