可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系制造技术

一种可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系，包括可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜光阳极、可见光响应的铂修饰硅电池片光阴极、电解质、可见光光源、石英反应池和石英集气管，光阳极和光阴极的材料均有良好的可见光吸收性能，其同时插入0.1～0.5M Na2S的电解质溶液中，并通过外部电路联通，开启可见光光源分别照射光阳极和光阴极，光阳极和光阴极分别发生电极反应并通过外电路形成回路，实现自偏压光电催化产氢与发电。本发明专利技术还公开了所述体系的制备方法。本发明专利技术能够应用于太阳能制氢并同时发电，具有可见光响应、产氢和发电效率优良、稳定性好和成本低的优点，对太阳能制氢和发电技术的开发具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系
本专利技术涉及太阳能利用系统，具体涉及一种可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系，属于新能源

技术介绍
由于世界经济的迅猛发展，人类对能源的需求日益增大。然而，以化石能源为基础的现代工业，正面临这种不可再生能源即将枯竭的事实。以光电催化为基础的太阳能制氢，是一种具有前景的新技术。光电催化分解水制氢系统，以双电极为基础，通过将光电极的光生电子或光生空穴通过外电路引到对电极，促进光生电荷的分离，而实现光电催化分解水制氢。但是现有的光电催化分解水产氢体系，均为单独的光电极接受光照射，且需要提供外加的偏电压，即提供额外的能量，因而限制了光的吸收及其分解水制氢的应用；此外研制可见光响应的、高效的光电极材料也一直是该领域研究的热点。2008年，HeliWang等提出了采用n型光阳极、p-型GaInP2作为光阴极的光电催化分解水制氢体系(J.Electrochem.Soc.2008,155,F91)，构建了双光电极光电催化分解水制氢体系，其与单光电极体系相比，可以提高体系对于太阳光的利用。但是所报道的光电催化分解水制氢体系，在AM1.5条件下，在无外加偏电压的情况下，产氢性能很弱，这是由于该体系所采用电极n型光阳极的导带位置要比p-GaInP2的价带位置更正，在光照条件下，光阳极的费米能级要比光阴极的费米能级更正，因而难以实现在无外加偏电压的情况下，光阳极的光生电子自发进入光阴极而实现自发分解水产氢的过程。2012年，Chen等报道了使用n型WO3电极作为光阳极，p-型铂修饰硅电池片电极作为阴极的光电催化分解水制氢体系(ChemSusChem2013,6,1276)，由于该体系n型WO3电极光阳极的导带位置要比p-型铂修饰硅电池片电极的价带位置低，因而实现了可见光条件下自偏压光电催化分解水产氢。然而由于受n型WO3电极材料费米能级的制约，n型电极与p-型电极间的自偏电压仍然较小，且WO3电极材料还存在着明显的光生载流子复合，这些问题导致其体系的光催化分解水产氢的性能低下，在AM1.5条件下，其产氢性能只有0.204μmolh-1cm-2，另外使用WO3电极只能吸收波长小于420nm的近紫外光，限制了其对可见太阳光的充分利用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可见光响应的、具有高效自偏压的光电催化分解水产氢并发电的体系，以实现将太阳能转变为氢能和电能的目的。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系，包括光阳极、光阴极、电解质、可见光光源、石英反应池和石英集气管，其特征在于，所述的光阳极为可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极，所述的光阴极为可见光响应的铂修饰硅电池片电极，所述的电解质为0.1～0.5M的Na2S溶液；将所述的光阳极与光阴极同时插入所述的石英反应池中的所述的电解质中，并且通过外电路联通；开启所述可见光光源分别照射所述的光阳极和光阴极，此时所述的光阳极和光阴极分别发生电极反应并通过外电路形成回路，从而实现自偏压光电催化产氢与发电。进一步地，所述的可见光光源为模拟太阳光，光强为100mWcm-2。本专利技术的另一技术方案为：一种上述可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系的制备方法，其具体步骤包括：1)制备所述的可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极，其方法是：首先将洗净的金属钛板作为阳极，置于含0.5％氢氟酸的水溶液中，以铂电极为对电极，调节电压为20V，对金属钛板进行阳极氧化60分钟，得到由金属钛和钛表面的TiO2构成的钛基TiO2纳米管阵列材料，然后该钛基TiO2纳米管阵列材料经500℃高温烧结1小时后，得到具有锐钛矿相的TiO2纳米管阵列薄膜材料；以该具有锐钛矿相的TiO2纳米管阵列薄膜材料作为基底，通过旋转涂布的方式，交替向该基底滴加0.5ml50mM的Bi(NO3)3和100mM的Na2S溶液，其中，所述的Bi(NO3)3溶液采用1M的醋酸溶液作为溶剂，每次滴加完毕后在3000rpm转速下涂布20s，交替重复30次，得到Bi2S3敏化的钛基TiO2纳米管阵列薄膜材料，将该Bi2S3敏化的钛基TiO2纳米管阵列薄膜材料经300℃高温烧结1小时，得到所述的可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极；2)采用公知方法制备所述的可见光响应的铂修饰硅电池片电极；3)将步骤1)所制备的可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极作为光阳极，将步骤2)所制备的可见光响应的铂修饰硅电池片电极作为光阴极，分别插入所述的石英反应池中的0.1～0.5MNa2S电解质溶液中，所述光阳极和光阴极通过外部电路连通并由所述可见光光源照射且产生光生电荷。本专利技术的又一技术方案为：一种上述可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系在太阳能制氢并同时发电中的应用。本专利技术所述的可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系具有良好的稳定性，光电效率高，产氢效率高，对太阳光中可见光部分均有响应。与现有技术相比，取得了良好的技术效果，具体表现为：(1)本专利技术采用了具有良好可见光吸收性能的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极作为光阳极，能够克服包括WO3在内的现有光阳极只能吸收波长小于420nm的近紫外光的不足，从而实现自偏压光电催化分解水体系对太阳光谱的充分利用。(2)本专利技术的光阳极材料为Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极，由于其基底为TiO2纳米管阵列材料，因而该电极材料具有良好的转移电荷的性能，能克服WO3电极光生载流子复合率高的不足，实现光生载流子的有效利用。(3)本专利技术采用的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极，其TiO2纳米管阵列基底材料的导带位置要比WO3电极的导带位置负0.3V左右，因而能够提高体系的自偏压，从而进一步促进光生载流子的分离和转移。(4)本专利技术采用旋转涂布与离子交换沉积相结合的方法制备Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极，敏化层均匀地结合于TiO2纳米管的管壁，具有良好的可见光响应和光催化性能，机械稳定性好和使用寿命长。(5)所述的可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系与其他的光电催化体系相比，具有无需外加偏压条件下实现显著产氢的性能，并且能够实现显著的对外发电性能。附图说明图1是本专利技术的结构和工作原理图；图中，1为光阳极，2为光阴极，3为石英集气管，4为氢气。图2是本专利技术中几种光电极的吸收光谱曲线；图中，A是钛基TiO2纳米管阵列薄膜材料的吸收光谱曲线；B为可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极的吸收光谱曲线；C是可见光响应的铂修饰硅电池片电极的吸收光谱曲线。图3是本专利技术实施例在模拟太阳光AM1.5(100mW/cm2)照射条件下，于0.25MNa2S电解质溶液中产氢性能和产氢过程中的电流密度曲线；图中，D是电流密度随时间变化的曲线；E是产氢量随时间变化的曲线。图4是本专利技术在模拟太阳光AM1.5(100mW/cm2)照射条件下，于0.25MNa2S电解质溶液中的电池性能曲线；图中标明了短路电流值、开路电压值、光电转化效率值和填充因子。具体实施方式下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系，包括光阳极、光阴极、电解质、可见光光源、石英反应池和石英集气管，其特征在于，所述的光阳极为可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极，所述的光阴极为可见光响应的铂修饰硅电池片电极，所述的电解质为0.1～0.5M的Na2S溶液；将所述的光阳极与光阴极同时插入所述的石英反应池中的所述的电解质中，并且通过外电路联通；开启所述可见光光源分别照射所述的光阳极和光阴极，此时所述的光阳极和光阴极分别发生电极反应并通过外电路形成回路，从而实现自偏压光电催化产氢与发电。

【技术特征摘要】
1.一种可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系，包括光阳极、光阴极、电解质、可见光光源、石英反应池和石英集气管，其特征在于，所述的光阳极为可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极，所述的光阴极为可见光响应的铂修饰硅电池片电极，所述的电解质为0.1～0.5M的Na2S溶液；将所述的光阳极与光阴极同时插入所述的石英反应池中的所述的电解质中，并且通过外电路连通；开启所述可见光光源分别照射所述的光阳极和光阴极，此时所述的光阳极和光阴极分别发生电极反应并通过外电路形成回路，从而实现自偏压光电催化产氢与发电。2.根据权利要求1所述的可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系，其特征在于，所述的可见光光源为模拟太阳光，光强为100mWcm-2。3.一种权利要求1所述的可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系的制备方法，其特征在于，所述制备方法的具体步骤包括：1)制备所述的可见光响应的Bi2S3敏化的TiO2纳米管阵列薄膜电极，其方法是：首先将洗净的金属钛板作为阳极，置于含0.5％氢氟酸的水溶液中，以铂电极为对电极，调节电压为20V，对金属钛板进行阳极氧化60分钟，得到由金属钛和钛表面的TiO2构成的钛基TiO2纳米管阵列材料，然后该钛基TiO2纳米管阵列材料经500℃高温烧结1小时后，得到具有锐钛矿相的TiO2纳米管阵列薄膜材料；以该具有锐钛矿相的TiO2纳米管阵列薄膜材料作为基底，通过旋转涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：周保学，曾庆意，黄可，李雪瑾，魏冉，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31