ZnO/NiO异质结压电陶瓷、其制法与自供能高效制氢中的应用制造技术

本发明专利技术提供一种p‑n‑ZnO/NiO异质结压电陶瓷、其制法与自供能高效制氢中的应用。该异质结压电陶瓷包括n‑ZnO压电陶瓷基体以及与之形成异质结的p‑NiO材料，所述p‑NiO的质量分数为0.1‑10wt％。本发明专利技术提供的ZnO/NiO异质结压电陶瓷构建了内建电场，电荷的复合率低，压电催化活性高，可利用自然界的水波能、声波能、风能作为驱动力压电催化制氢。且制得的氢气纯度高，不含一氧化碳、硫化氢、磷化氢、氯离子等使燃料电池中毒的气体，制备方法简单易行、绿色环保，不排放对环境有害的物质。

【技术实现步骤摘要】
ZnO/NiO异质结压电陶瓷、其制法与自供能高效制氢中的应用
本专利技术涉及一种p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷，特别涉及p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷材料、其制备方法以及于车载自供能高效制氢中的应用，属于清洁能源材料领域。
技术介绍
压电催化是将机械能转化为化学能的方式，压电材料能够吸收小的机械能如声音、水波、振动等产生电荷分离，从而使压电材料的二侧带不同符号的电荷。即是在外部机械力的作用下压电材料的表面会因为外部作用力而产生正负电荷，这些电荷会加快被吸附在压电材料表面的物质发生氧化还原反应。然而，压电产生的电荷容易复合，导致压电催化效率不高。因此有必要采用技术手段提高压电催化效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高压电电荷分离效率的p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷材料、其制备方法以及于车载自供能高效制被高纯氢的应用，以克服现有制氢技术中压电产生的电荷容易复合，导致压电催化效率不高的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：所述p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷材料，包括n-ZnO压电陶瓷基体以及与所述基体形成异质结的p-NiO材料；其中，所述p-NiO材料的质量分数为0.1wt％-10wt％；所述p-NiO的厚度为0.1μm-10μm。可选地，所述p-NiO材料的质量分数上限选自0.5wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％；所述p-NiO材料的质量分数下限选自0.1wt％、0.5wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％。可选地，所述p-NiO材料的厚度上限选自0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm；所述p-NiO材料的厚度下限选自0.1μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm。可选地，所述ZnO压电陶瓷基体的尺寸为20mm×20mm×1mm。可选地，所述p-NiO分散于n-ZnO压电陶瓷表面。可选地，所述p-NiO分散于n-ZnO压电陶瓷的其中一表面。所述p-n-ZnO/NiO压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备Zn(OH)2颗粒：将锌盐与碱反应，生成Zn(OH)2颗粒；(2)造粒：向步骤(1)制得的Zn(OH)2颗粒中加入一定量的聚乙烯醇溶液，然后球磨造粒；(3)制备陶坯：将步骤(2)制得的Zn(OH)2颗粒加入到一定尺寸的模具中，用压膜机在10-30MPa压力下压制成陶坯；(4)脱胶：将陶坯加热至450-500℃，恒温1-2h进行脱胶处理；(5)成型：脱胶后在温度为1150℃～1350℃条件下处理0.5h-2h，冷却后制得ZnO陶瓷；(6)p-n-ZnO/NiO压电陶瓷的制备：在ZnO压电陶瓷的一侧均匀涂布镍盐溶液，晾干，然后均匀涂布NaOH溶液，在ZnO表面生成NiO膜，之后在600℃时烧结2h得致密均匀的p-n-ZnO/NiO陶瓷；(7)极化处理：将p-n-ZnO/NiO陶瓷片在3～5KV/mm电压下极化20-60min，放置24h后制得p-n-ZnO/NiO压电陶瓷。可选地，所述锌盐选自ZnCl2、Zn(Ac)2、ZnSO4、Zn(NO3)2中的至少一种。可选地，所述碱选自NH3·H2O、NaOH、KOH中的至少一种。可选地，所述镍盐选自NiCl2、NiSO4、Ni(NO3)2、Ni(Ac)2中的至少一种。可选地，所述ZnO颗粒由ZnCl2和NaOH溶液反应制得。可选地，所述NaOH溶液的浓度范围为0.1-1.0mol/L。可选地，所述ZnO颗粒由ZnCl2和NH3·H2O反应制得。可选地，所述NH3·H2O的浓度范围为0.1-2.0mol/L。可选地，所述ZnO颗粒由Zn(Ac)2和NaOH溶液反应制得。可选地，所述ZnO颗粒由Zn(Ac)2和NH3·H2O反应制得。可选地，所述聚乙烯醇(PVA)溶液的质量浓度为4.0～8.0wt％。可选地，所述聚乙烯醇(PVA)溶液的质量浓度为5.0wt％。可选地，所述聚乙烯醇(PVA)溶液的质量浓度为6.0wt％。可选地，所述聚乙烯醇(PVA)溶液的质量浓度为7.0wt％。可选地，所述极化电压为3.0KV/mm，极化时间为60min。可选地，所述极化电压为4.0KV/mm，极化时间为50min。可选地，所述极化电压为5.0KV/mm，极化时间为40min。可选地，所述制备NiO膜还包括在均匀涂布NaOH溶液后，晾干，再用去离子水冲洗其表面，之后在400-450℃条件下恒温处理20-60min，制得所述ZnO表面的NiO薄膜。可选地，所述p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷于车载自供能制氢中的应用。可选地，在温度为1-95℃的条件下，对p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷材料和氨硼烷水溶液形成的制氢反应体系施加机械振动或超声波振动实现氢气的制备。可选地，所述超声波振动频率为10-60KHz。可选地，所述超声波的频率上限为20KHz、30KHz、40KHz、50KHz、60KHz；所述超声波的频率下限为10KHz、20KHz、30KHz、40KHz、50KHz。可选地，所述p-n-ZnO/NiO是由ZnO和NiO构建的p-n结。可选地，一种自供能压电催化制氢方法，其包括以下步骤：(1)将氨硼烷水溶液置于催化制氢反应器中，再向该氨硼烷水溶液中加入p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷材料，形成制氢反应体系，之后密封所述反应器；(2)将所述反应器的温度调节至1-95℃后将系统抽至真空，待所述反应器内达到真空状态后再将所述反应器内的温度调至20-30℃；(3)对所述反应器内的制氢反应体系施加超声波，使所述制氢反应体系内发生反应，并产生氢气。本专利技术中p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷材料能将机械能转化为电能，其作用原理是利用材料在结构上的不对称性，在外力作用下原来电中性的材料产生了正负电荷中心不重合，从而导致材料的二端或二面带有不同的电荷。机械振动或超生振动实现机械能与电能的转变。本专利技术提供的压电催化制氢的反应机理为:在合适的催化剂存在下，NH3BH3可以通过溶剂分解或热分解释放氢，如下式(I)所示：NH3BH3(aq)+2H2O(l)＝NH4+(aq)+BO2-(aq)+3H2(g)式(I)在本专利技术中，p-n-ZnO/NiO异质结压电陶瓷材料是一种具有压电效应的催化剂。该催化剂在超声波振荡中产生压电效应，材料内部形成自建电场，NiO的作用是降低正负电荷的复合率，提高正负电荷的分离效率，从而进一步提供产氢效率。本专利技术制得的氢气为高纯氢气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种p-n-ZnO/NiO异质结构压电陶瓷材料，其特征在于，包括n-ZnO压电陶瓷基体和与所述基体形成异质结的p-NiO材料；/n其中，所述p-NiO的质量分数为0.1wt％-10wt％；/n所述p-NiO的厚度为0.1μm-10μm。/n

【技术特征摘要】
1.一种p-n-ZnO/NiO异质结构压电陶瓷材料，其特征在于，包括n-ZnO压电陶瓷基体和与所述基体形成异质结的p-NiO材料；
其中，所述p-NiO的质量分数为0.1wt％-10wt％；
所述p-NiO的厚度为0.1μm-10μm。


2.根据权利要求1所述的p-n-ZnO/NiO异质结构压电陶瓷材料，其特征在于，所述p-NiO分散于n-ZnO压电陶瓷表面；
优选地，所述p-NiO分散于n-ZnO压电陶瓷的其中一表面。


3.一种制备权利要求1-2中任一项所述的p-n-ZnO/NiO异质结构压电陶瓷材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备Zn(OH)2颗粒：将锌盐与碱反应，生成Zn(OH)2颗粒；
(2)造粒：向步骤(1)制得的Zn(OH)2颗粒中加入一定量的聚乙烯醇溶液，然后球磨造粒；
(3)制备陶坯：将步骤(2)制得的Zn(OH)2颗粒加入到一定尺寸的模具中，用压膜机在10-30MPa压力下压制成陶坯；
(4)脱胶：将陶坯加热至450-500℃，恒温1-2h进行脱胶处理；
(5)成型：脱胶后在温度为1150℃～1350℃条件下处理0.5h-2h，冷却后制得ZnO陶瓷；
(6)p-n-ZnO/NiO压电陶瓷的制备：在ZnO压电陶瓷的一侧均匀涂布镍盐溶液，晾干，然后均匀涂布NaOH溶液，在ZnO表面生成NiO膜，之后在600℃时烧结2h得致密均匀的p-n-ZnO/NiO陶瓷；
(7)极化处理：将p-n-ZnO/NiO陶瓷片在3～5KV/mm电压下极化20...

【专利技术属性】
技术研发人员：金向华，刘守清，李华，
申请(专利权)人：苏州金宏气体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32