一种光诱导氧还原反应电催化电极及其制备方法技术

一种光诱导氧还原反应电催化电极及其制备方法。所述光诱导氧还原反应电催化电极为Ag‑石墨烯‑Cu结构。石墨烯层为1～2层，通过CVD法制备在Cu薄膜的表面。Ag纳米颗粒的直径为30‑70nm，通过离子溅射仪沉积在石墨烯表面。本发明专利技术在太阳能激发下能够连续产生金属表面等离子体热电子，产生氧还原反应电催化活性。

Light induced oxygen reduction reaction electro catalytic electrode and preparation method thereof

Light induced oxygen reduction reaction electro catalytic electrode and preparation method thereof. The light induced oxygen reduction electrode for Ag graphene Cu structure. The graphene layer is 1~2 layers, and the surface of the Cu film is prepared by CVD method. Ag nano particles with a diameter of 30 70nm by ion sputter deposition on the surface of graphene. The invention can continuously generate metal surface plasma hot electrons under solar energy excitation, and produce electrocatalytic activity of oxygen reduction reaction.

【技术实现步骤摘要】
一种光诱导氧还原反应电催化电极及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池和光电转换混合器件，具体是一种具有Ag纳米颗粒-二维石墨烯层-Cu薄膜三层纳米结构的光诱导氧还原反应电催化电极。
技术介绍
氧还原反应是非常重要的能源转化技术之一，在电驱动条件下，电催化氧还原反应可以将溶液中的氧转化为H2O2，或者在光驱动条件下，光催化氧还原反应将溶液中的氧转化为H2O2。前者是质子交换膜燃料电池的控制反应；后者是光电化学器件收集太阳光能转换为化学能的途径，还原产物H2O2可以作为燃料电池的燃料，易储存，无爆炸风险。为了得到好的电池性能，燃料电池中的电催化氧还原反应一般需要贵金属铂作为催化剂，由于贵金属铂的稀缺和昂贵，限制了质子交换膜等燃料电池的大规模应用，为了解决这一问题，人们开始探索应用其他能源方式来促进燃料电池的氧还原反应，其中方法之一是应用太阳能制备双氧水过程中的光催化氧还原反应。文献ChemCommun，2005，20/28，SustainedproductionofH2O2onirradiatedTiO2-fluoridesystems中报道，利用紫外光照射F掺杂TiO2悬浮液，在空穴消耗剂存在的条件下，还原氧气获得了稳定浓度的H2O2。文献ACSCatalysis，2012，4/2，PhotocatalyticH2O2productionfromethanol/O2systemusingTiO2loadedwithAu-Agbimetallicalloynanoparticles中报道，在Ag-Au双金属合金纳米颗粒修饰TiO2表面，在乙醇存在的水溶液体系中，光催化还原了氧气，产生了H2O2。文献ACSnano，2015，9/9，Photovoltaiceffectandevidenceofcarriermultiplicationingrapheneverticalhomojunctionswithasymmetricalmetalcontacts中报道了一种Ag-石墨烯-Pt结构，能够在可见光到近红外波长光照条件下产生光伏效应，光学响应可达2.1mA/W。文献SolidStateCommunications，2016，225，Nanoscaleelectricalcharacteristicsofmetal(Au,Pd)-graphene-metal(Cu)contacts中报道了一种金属(Au,Pd)-石墨烯-金属(Cu)结构，能够通过施加一定的外置偏压表现出明显的整流特性。文献OpticalSocietyofAmerica，2010，CFE6，Zero-darkcurrentoperationofametal-graphene-metalphotodetectorat10Gbit/sdatarate中报道了一种Pd-石墨烯-Ti结构的光探测器件，光响应频率能够超过500GHz。文献ACSnano，2012，6/6，Metal-graphene-metalsandwichcontactsforenhancedinterfacebondingandworkfunctioncontrol中报道了一种金属(Al、Au或Pt)-石墨烯-(Cu)结构，能够增强金属和石墨烯的界面结合，增加该结构的功函数。文献Advancematerials，2016，28，AsymmetricMoS2/graphene/metalsandwiches:Preparation,characterization,andapplication中报道了eMoS2/石墨烯/Pd，Pt/石墨烯/Cu和Pd/石墨烯/Pd结构，指出eMoS2/石墨烯/Pd结构能够作为超级电容器电极增加氢气产生反应的催化活性。文献Physicalreview.B，2012，85，Atomicandelectronicstructureofsimplemetal/grapheneandcomplexmetal/graphene/metalinterfaces中报道了Ni-石墨烯-Ni、Cu-石墨烯-Cu、Cu-石墨烯Ni和Ni-石墨烯-Cu结构，研究了在不同结果中石墨烯与Cu或Ni界面结合的电磁特性，最后获得了金属-石墨烯接触界面的界面结合与电磁性质基本信息。专利技术专利，申请号：201410621933.2中公开了一种银/氧化石墨烯/氮化碳复合光催化材料及其制备方法，能够在可见光照射下实现银/氧化石墨烯/氮化碳复合光催化材料对有机染料罗丹明B的光催化降解。尽管目前已经发现金属-石墨烯-金属结构具有一定的光电效应和光催化降解有机污染物的作用，但是金属-石墨烯-金属结构在氧还原反应催化方面的功能尚未被发现和研究。利用金属-石墨烯-金属结构做光诱导氧还原反应电催化电极，同时可以避免当前以TiO2等半导体材料做光催化氧还原反应活性的材料所存在的缺点：(1)由于TiO2等半导体材料具有固定的带隙，制约了器件的光谱吸收范围，因此，限制了光催化氧还原反应的效率，无法对太阳光进行高效利用。(2)TiO2在光催化氧还原反应过程中，还原产物容易在TiO2表面吸附生成Ti-OOH基团并分解，使得整体光催化还原效率过低。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的TiO2等光催化氧还原反应活性材料的光谱吸收范围窄、还原产物易被分解的不足，本专利技术提出了一种光诱导氧还原反应电催化电极及其制备方法。本专利技术提出的光诱导氧还原反应电催化电极为Ag-石墨烯-Cu结构，其中：该电极的底层为Cu薄膜，中间层为二维石墨烯层，上层为沉积在石墨烯表面的Ag纳米颗粒。所述Cu薄膜为Ag-石墨烯-Cu电极的集流层；所述石墨烯中间层内由于Ag和Cu分别与石墨烯接触而存在内建电场；所述银纳米颗粒与石墨烯层表面接触，作为金属表面等离子活性层，并起到氧还原反应活性层的作用。所述Cu薄膜的厚度为0.1mm。所述的石墨烯层为1～2层，通过CVD法制备在Cu薄膜的表面。所述的Ag纳米颗粒的直径为30-70nm，通过离子溅射沉积在石墨烯表面。本专利技术提出的制备所述光诱导氧还原反应电催化电极的具体过程如下：步骤1：Cu薄膜的预处理；步骤2：在Cu薄膜表面生长石墨烯：采用CVD法在Cu薄膜表面生长石墨烯。具体是，将预处理后的Cu薄膜放入石英舟内置于管式炉的石英管恒温区。对所述石英管进行清洗，清洗时，对该石英管抽真空，使石英管内的压强为0.1～0.2Pa。依次使用CH4、H2和Ar对整个气流回路进行清洗。同时向清洗后的石英管内通入H2和Ar，并且所述H2气的气流速度为15sccm，Ar气的气流速度为500sccm；在通入所述H2和Ar时，使石英管内的压强保持在0.1～0.2Pa。在向石英管内通入H2和Ar的同时，以12℃/min的升温速率使石英管内的温度升至980～1180℃并保温40min；保温过程中在H2与Ar的混合气氛中对Cu薄膜进行表面还原处理。当对Cu铜薄膜的表面还原处理结束后，以110sccm的气流速度通入CH4并使石英管内的压强为90～110Pa，进行石墨烯的生长反应，所述生长反应时间为5h。在对Cu薄膜表面还原处理和石墨烯的生长反应中始终保持H2和Ar的持续通入。反应结束后以自然冷却的方式将石英管内温度降至室温，得到1～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光诱导氧还原反应电催化电极，其特征在于，所述电催化电极是Ag‑石墨烯‑Cu结构的电极，其中：该电极的底层为Cu薄膜，中间层为二维石墨烯层，上层为沉积在石墨烯表面的Ag纳米颗粒；所述Cu薄膜为Ag‑石墨烯‑Cu电极的集流层；所述石墨烯中间层内由于Ag和Cu分别与石墨烯接触而存在内建电场；所述银纳米颗粒与石墨烯层表面接触，作为金属表面等离子活性层，并起到氧还原反应活性层的作用。

【技术特征摘要】
1.一种光诱导氧还原反应电催化电极，其特征在于，所述电催化电极是Ag-石墨烯-Cu结构的电极，其中：该电极的底层为Cu薄膜，中间层为二维石墨烯层，上层为沉积在石墨烯表面的Ag纳米颗粒；所述Cu薄膜为Ag-石墨烯-Cu电极的集流层；所述石墨烯中间层内由于Ag和Cu分别与石墨烯接触而存在内建电场；所述银纳米颗粒与石墨烯层表面接触，作为金属表面等离子活性层，并起到氧还原反应活性层的作用。2.如权利要求1所述光诱导氧还原反应电催化电极，其特征在于，所述Cu薄膜的厚度为0.1mm；所述的石墨烯层为1～2层，通过CVD法制备在Cu薄膜的表面；所述的Ag纳米颗粒的直径为30-70nm，通过离子溅射沉积在石墨烯表面。3.一种制备权利要求1所述光诱导氧还原反应电催化电极的方法，其特征在于，具体过程如下：步骤1：Cu薄膜的预处理；步骤2：在Cu薄膜表面生长石墨烯：采用CVD法在Cu薄膜表面生长石墨烯；具体是，将预处理后的Cu薄膜放入石英舟内置于管式炉的石英管恒温区；对所述石英管进行清洗；同时向清洗后的石英管内通入H2和Ar，并且所述H2气的气流速度为15sccm，Ar气的气流速度为500sccm；在通入所述H2和Ar时，使石英管内的压强保持在0.1～0.2Pa；在向石英管内通入H2和Ar的同时，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈福义，刘亚星，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61