一种光电催化分解水制氢的方法技术

本发明专利技术公开了一种光电催化分解水制氢的方法，先利用热蒸发法在FTO玻璃上沉积一层Se薄膜，然后将沉积的Se薄膜进行快速热退火处理，得到Se/FTO光阴极；在Se薄膜的表面通过原子层沉积法制备一层TiO

【技术实现步骤摘要】
一种光电催化分解水制氢的方法
本专利技术属于光电催化分解水制氢
，具体涉及一种新型Se基光阴极器件光电催化分解水制氢的方法。
技术介绍
近年来，随着全球经济和社会的快速发展，人类对于能源的需求和利用日益加剧，全球能源需求量急剧上升。人类急需探索开发出一些新型可再生能源来解决当前所面临的能源危机。其中，太阳能和水的光电化学制氢为未来提供了一种清洁和可持续的燃料选择。光电催化分解水为将太阳能转化为清洁且可持续的氢能提供了一种有前景的方法。用于光电催化分解水的光阴极材料是光电化学分解水制氢结构中重要的组成部分，它可以利用太阳能催动水分解反应从而制备出氢气或氧气。光电催化是通过半导体材料制备光电极，并对电极的表面状态进行修饰(表面处理或表面修饰催化剂)来催化光电化学反应。光电催化的意义是转换太阳能为化学能的贮能反应，目标是提高太阳能转换成化学能的光能转换效率，以期取得应用价值。在将光能转换为化学能的光电化学电池中，用半导体材料作光电极，起光吸收和催化作用。其中，p型半导体构成光阴极，只催化还原反应。p型半导体吸收能量大于带隙的光子后产生光生电子和空穴，光生电子在能带弯曲后形成的电场中向光阴极表面迁移，到达表面后进行还原水反应生成氢气；而光生空穴则在光生电压和外加偏压的共同作用下经过外电路到达对电极，进行氧化水反应产生氧气。由于光电化学水分解的工作原理与太阳能电池相似，因此大多数良好的光伏材料(如Si、CuInGaSe、Sb2Se3、Sb2S3、Cu2O和GaAs等材料)既具有优良的光伏性能，同时也具有良好的光电化学水分解性能。但是，CuInGaSe和Cu2O光阴极材料的制备工艺复杂，工艺条件较为苛刻；Sb2S3、Sb2Se3和GaAs光阴极材料不仅制备工艺复杂，同时具有毒性，对环境具有污染。在光阴极电流响应方面，目前硫族元素报道的光阴极电流响应并不高，例如：(1)Sb2S3/TiO2/Pt光阴极在VRHE＝0V时，光电流密度约3mA/cm2，在VRHE＝-0.4V时，光电流密度约9mA/cm2；(2)Sb2Se3光阴极在VRHE＝0V时，光电流密度约1mA/cm2。虽然Se太阳能电池已经研究了很长时间，但目前还没有关于Se基薄膜材料光电化学(PEC)分解水制氢的报道。硒(Se)作为是一种传统的半导体材料具有优良的特性，例如：Se具有很强的光敏性(光电转换能力)；Se的带隙约1.90eV，能吸收波长小于700nm的太阳光；Se的熔点较低(217℃)，适用于低温制备及处理等。目前Se的制备方法主要有化学水浴沉积法、电化学沉积法和热蒸发法等，其制备的Se薄膜材料主要用于太阳能电池、光度计、放大器、整流器光信号器等方面。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用热蒸发及快速退火制备的具有优异光阴极活性的Se基光阴极进行光电催化分解水制氢的方法。针对上述目的，本专利技术采用的技术方案是：采用0.1～1mol/LH2SO4水溶液作为电解质，以Se基光阴极为工作电极，饱和甘汞电极和铂片分别作为参比电极和对电极，在光照和外加偏压下进行光电催化分解水制氢。其中，所述Se基光阴极为Se/FTO光阴极、TiO2/Se/FTO光阴极、Pt/TiO2/Se/FTO光阴极中任意一种。上述Se/FTO光阴极的制备方法为：利用热蒸发法在清洗干净的FTO玻璃片上沉积一层Se薄膜，热蒸发系统真空度为7×10-3～3×10-4Pa，沉积的Se薄膜的厚度为100nm～1μm；然后将沉积的Se薄膜进行快速热退火，快速热退火的温度为50～250℃、时间为1～60min，得到Se/FTO光阴极。其中，FTO玻璃片的清洗方法为：将FTO玻璃片分别用乙醇、丙酮和超纯水超声清洗20～30min，然后用氮气吹干，得到清洗干净的FTO玻璃片。优选快速热退火的温度为80～230℃、时间为1～30min。上述TiO2/Se/FTO光阴极的制备方法为：在上述Se/FTO光阴极的Se薄膜表面通过原子层沉积法制备一层TiO2薄膜，腔室基板温度为100～230℃、制备周期为2～8个循环，得到TiO2/Se/FTO光阴极。优选腔室基板温度为120～200℃、制备周期为4～6个循环。上述Pt/TiO2/Se/FTO光阴极的制备方法为：在上述TiO2/Se/FTO光阴极的TiO2薄膜表面通过磁控溅射法沉积Pt，系统真空度为7×10-3～3×10-4Pa，溅射功率为20～80W，溅射时间为1s～300s，得到Pt/TiO2/Se/FTO光阴极。优选溅射功率为30～60W，溅射时间为1s～30s。上述的光电催化分解水制氢的方法中，优选采用0.4～0.6mol/LH2SO4水溶液作为电解质。上述的光电催化分解水制氢的方法中，用光源为300W氙灯加AM1.5G滤光片组成的模拟太阳光，在光照强度为50～150mW/cm2、外加偏压为VRHE＝-1V～+1V下进行光电催化分解水制氢。优选在光照强度为80～120mW/cm2、外加偏压为VRHE＝-0.6V～+0.6V下进行光电催化分解水制氢。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术首次提出利用热蒸发法在清洗干净的FTO玻璃片上沉积一层Se薄膜，然后将沉积的Se薄膜进行快速热退火，得到有良好结晶相的Se/FTO光阴极；在Se薄膜的表面通过原子层沉积法制备一层TiO2薄膜，得到TiO2/Se/FTO光阴极；在TiO2薄膜表面通过磁控溅射法担载助氢催化剂Pt，得到Pt/TiO2/Se/FTO光阴极。本专利技术三种Se基光阴极制备工艺简单，制备窗口宽，工艺条件不苛刻，所用材料绿色环保，对人体和环境无害。2、以本专利技术Se基光阴极作为工作电极，饱和甘汞电极和铂片分别作为参比电极和对电极，以H2SO4水溶液为电解质，在光照和外加偏压下进行光电催化分解水制氢，三种光电极均具有优异的光阴极电流响应，其中Pt/TiO2/Se/FTO光阴极在VRHE＝0V时，光电流密度可达约8mA/cm2，在VRHE＝-0.5V时，光电流密度最大可达约16mA/cm2，按照100％的法拉第效率进行换算，在VRHE＝-0.5V时，平均每小时内单位面积的Pt/TiO2/Se/FTO光阴极可产生0.3mmol的氢气，具有广泛的光电催化分解水产氢的应用前景。附图说明图1是实施例1制备的Se/FTO光阴极上Se薄膜的XRD图谱。图2是实施例1制备的Se/FTO光阴极在连续斩光条件下测试的电流密度-电压(LSV)曲线。图3是实施例2制备的TiO2/Se/FTO光阴极在连续斩光条件下测试的电流密度-电压曲线。图4是实施例3制备的Pt/TiO2/Se/FTO光阴极在连续斩光条件下测试的电流密度-电压曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术的保护范围不仅限于这些实施例。实施例1将2.5×2.5cm2的FTO玻璃分别用乙醇、丙酮和去超纯水各超声清洗30min，用氮气吹干，得到清洗干净的FTO玻璃片；然后利用热蒸发法在清洗干净的FTO玻璃片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光电催化分解水制氢的方法，其特征在于：采用0.1～1mol/LH

【技术特征摘要】
1.一种光电催化分解水制氢的方法，其特征在于：采用0.1～1mol/LH2SO4水溶液作为电解质，以Se基光阴极为工作电极，饱和甘汞电极和铂片分别作为参比电极和对电极，在光照和外加偏压下进行光电催化分解水制氢；
上述Se基光阴极为Se/FTO光阴极、TiO2/Se/FTO光阴极、Pt/TiO2/Se/FTO光阴极中任意一种。


2.根据权利要求1所述的光电催化分解水制氢的方法，其特征在于所述Se/FTO光阴极的制备方法为：利用热蒸发法在清洗干净的FTO玻璃片上沉积一层Se薄膜，热蒸发系统真空度为7×10-3～3×10-4Pa，沉积的Se薄膜的厚度为100nm～1μm；然后将沉积的Se薄膜进行快速热退火，快速热退火的温度为50～250℃、时间为1～60min，得到Se/FTO光阴极。


3.根据权利要求2所述的光电催化分解水制氢的方法，其特征在于：将FTO玻璃片分别用乙醇、丙酮和超纯水超声清洗20～30min，然后用氮气吹干，得到清洗干净的FTO玻璃片。


4.根据权利要求2所述的光电催化分解水制氢的方法，其特征在于：所述快速热退火的温度为80～230℃、时间为1～30min。


5.根据权利要求1所述的光电催化分解水制氢的方法，其特征在于：所述TiO2/Se/FTO光阴极的制备方法为：在权利要求2所述的Se/FTO光阴极的Se薄膜表面通过原子层沉积法制备一层TiO2薄膜，腔室基板温度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：高斐，李佳辉，李登，刘生忠，华晓冬，张超群，李元瑞，石伯男，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61