具有纳米线-纳米颗粒体系结构的CO2转化制造技术

化学电池的电极包括具有表面的基材，由基材支撑并从基材表面向外延伸的传导凸出物的阵列，传导凸出物阵列的每一传导凸出物具有在化学电池中用于二氧化碳(CO2)催化转化的半导体组合物，和在纳米线的阵列上方布置的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有在化学电池中用于CO2催化转化的金属性组合物。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有的尺寸比传导凸出物阵列的每一传导凸出物的横向尺寸小至少一个数量级。少一个数量级。

CO2 conversion with nanowire nanoparticle system structure

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有纳米线
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纳米颗粒体系结构的CO2转化
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年7月25日提交的并且指定序列号62/878,607的题目为“CO
2 Conversion with Nanowire
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Nanoparticle Architecture”的美国临时申请的权益，其整个公开内容由此通过引用专门并入。
[0003]公开内容背景
[0004]公开内容领域
[0005]公开内容通常涉及二氧化碳(CO2)的光电化学和其它化学转化成甲酸。
[0006]相关技术简要描述
[0007]二氧化碳(CO2)与水(H2O)的光电化学(PEC)还原成燃料和化学品(所谓的人工光合)是储存间歇性太阳能和缓解人类活动碳排放的有前景的策略。在各种CO2还原产物中，甲酸(HCOOH)是能量密集的液体燃料和工业中非常有用的化学品。转化为甲酸仅需要两个电子转移，并因此相对于其它复杂产物例如CH3OH、CH4、C2H4和C2H5OH在动力学上有利产生。然而，由于CO2的化学不活泼、CO2转化的复杂反应网络和析氢的严重竞争，在低过电位下以大转换频率(TOF)将CO2有效且选择性光电化学还原为HCOOH仍然是实质性的挑战。
[0008]具有半导体光吸收体的光电阴极和电催化剂已用于从CO2还原的HCOOH的人工光合成。已开发了各种电催化剂例如分子络合物、酶和金属(例如Pb、In、Cu和Sn)连同各种半导体，用于CO2至HCOOH转化。尽管有一些显著的成就，但是由于低的日光收集效率、缓慢的电荷载流子提取、低的原子利用效率和无效的CO2活化，这些光电极的效率仍然远达不到任何实际应用。
[0009]公开内容概述
[0010]按照公开内容的一个方面，化学电池的电极包括具有表面的基材，由基材支撑并从基材表面向外延伸的传导凸出物的阵列，传导凸出物阵列的每一传导凸出物具有在化学电池中用于二氧化碳(CO2)催化转化的半导体组合物，和在传导凸出物的阵列上方布置的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有在化学电池中用于二氧化碳(CO2)催化转化的金属性组合物。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有的尺寸比传导凸出物阵列的每一传导凸出物的横向(lateral)尺寸小至少一个数量级。
[0011]按照公开内容的另一方面，光电化学电池的光电阴极包括基材，所述基材包括光吸收材料，该光吸收材料配置成在阳光照时产生电荷载流子，由基材支撑的纳米线阵列，纳米线阵列的每一纳米线配置成从基材提取电荷载流子，纳米线阵列的每一纳米线包括氮化镓，和跨纳米线阵列的每一纳米线分布的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有金属性组合物用于将光电化学电池中的二氧化碳(CO2)催化转化成甲酸。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有的尺寸比纳米线阵列的每一纳米线的横向尺寸小至少一个数量级。
[0012]按照公开内容的又一方面，光电化学电池的光电阴极包括基材，所述基材包括光吸收材料，该光吸收材料配置成在阳光照时产生电荷载流子，由基材支撑的纳米线阵列，纳米线阵列的每一纳米线配置成从基材提取电荷载流子，纳米线阵列的每一纳米线包括氮化镓，和跨纳米线阵列的每一纳米线分布的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒包
括用于将光电化学电池中的二氧化碳(CO2)催化转化成甲酸的锡。
[0013]按照公开内容的再一个方面，制造电化学系统的电极的方法包括在半导体基材上生长纳米线阵列，纳米线阵列的每一纳米线具有半导体组合物，用于在电化学系统中二氧化碳(CO2)的催化转化，并跨纳米线阵列的每一纳米线沉积多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有金属性组合物，用于电化学系统中二氧化碳(CO2)的催化转化。沉积多个纳米颗粒包括实施若干电沉积循环，设置电沉积循环数使得多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有的尺寸比纳米线阵列的每一纳米线的横向尺寸小至少一个数量级。
[0014]与前述方面中任一个有关，本文描述的电极、系统和/或方法可替代地或额外包括或涉及以下方面或特征中一种或多种的任何组合。基材包括半导体材料。半导体材料配置成在吸收太阳辐射时产生电荷载流子，使得化学电池配置成光电化学系统。传导凸出物阵列的每一传导凸出物包括配置成提取基材中产生的电荷载流子的纳米线。基材包括硅。半导体组合物包括氮化镓。金属性组合物包括锡。金属性组合物包括金属氧化物。类离子键和类共价键都存在于多个纳米颗粒的每一纳米颗粒和传导凸出物阵列的各传导凸出物之间的界面处。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒的尺寸落入约2纳米至约3纳米的范围内。传导凸出物阵列的每一传导凸出物的横向尺寸落入约30纳米至约40纳米的范围内。化学电池是热化学电池。电化学系统包括按照本文描述的电极之一配置的工作电极，并还包括对电极，工作电极和对电极浸没其中的电解质，和在工作电极和对电极之间施加偏压的电压源。偏压设定成在工作电极处将CO2转化成甲酸的水平。类离子键和类共价键都存在于多个纳米颗粒的每一纳米颗粒和多个纳米线的各自纳米线之间的界面处。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒的尺寸落入约2纳米至约3纳米的范围内，和纳米线阵列的每一纳米线的横向尺寸落入约30纳米至约40纳米的范围内。光电化学系统包括按照本文描述的光电阴极之一配置的工作光电阴极，并还包括对电极，工作光电阴极和对电极浸没其中的电解质，和在工作光电阴极和对电极之间施加偏压的电压源。偏压设定成在工作光电阴极处将CO2转化成甲酸的水平。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒包括氧化锡。电沉积循环数落入约60次循环
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约80次循环的范围内。
[0015]附图简要描述
[0016]为了更完整地理解公开内容，应参照以下详细描述和附图，其中同样的附图标记表明图中同样的要素。
[0017]图1是按照一个实例用于二氧化碳(CO2)的催化转化的具有工作电极的电化学系统的示意图和框图，该工作电极具有纳米线
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纳米颗粒体系结构。
[0018]图2是按照一个实例用于CO2的催化转化的具有纳米线阵列和纳米颗粒的光电阴极的局部示意图。
[0019]图3是使用图2的光电阴极将二氧化碳(CO2)催化转化成甲酸的能带图。
[0020]图4是按照一个实例制造用于CO2催化转化的电极的方法流程图，该电极具有纳米线阵列和纳米颗粒。
[0021]图5描述了按照一个实例在沉积锡(Sn)纳米颗粒之前和之后纳米线阵列的扫描电子显微法(SEM)图。
[0022]图6描述了比较使用各种光电阴极体系结构的CO2的催化转化的效率、生产率和其它操作参数的若干图表，所述光电阴极体系结构包括按照一个实例具有氮化镓(GaN)纳米
线与Sn纳米颗粒的体系结构。
[0023]图7描述按照若干实例具有在其上沉积纳米颗粒的纳米线的几个SEM图，连同作为纳米颗粒尺寸函数的纳米颗粒分布的图表的罗列(overlay)。
[0024]图8是描述作为纳米颗粒沉积循环数函数的纳米线
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纳米颗粒体系结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.化学电池的电极，该电极包含：具有表面的基材；由基材支撑的并从基材表面向外延伸的传导凸出物的阵列，传导凸出物阵列的每一传导凸出物具有在化学电池中用于二氧化碳(CO2)催化转化的半导体组合物；和在传导凸出物的阵列上方布置的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有在化学电池中用于二氧化碳(CO2)催化转化的金属性组合物；其中多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有的尺寸比传导凸出物阵列的每一传导凸出物的横向尺寸小至少一个数量级。2.根据权利要求1所述的电极，其中：基材包含半导体材料；和半导体材料配置成在吸收太阳辐射时产生电荷载流子，使得化学电池配置成光电化学系统。3.根据权利要求2所述的电极，其中传导凸出物阵列的每一传导凸出物包含配置成提取基材中产生的电荷载流子的纳米线。4.根据权利要求1所述的电极，其中基材包含硅。5.根据权利要求1所述的电极，其中半导体组合物包括氮化镓。6.根据权利要求1所述的电极，其中金属性组合物包含锡。7.根据权利要求1所述的电极，其中金属性组合物包含金属氧化物。8.根据权利要求1所述的电极，其中类离子键和类共价键都存在于多个纳米颗粒的每一纳米颗粒和传导凸出物阵列的各自传导凸出物之间的界面处。9.根据权利要求1所述的电极，其中多个纳米颗粒的每一纳米颗粒的尺寸落入约2纳米至约3纳米的范围内。10.根据权利要求1所述的电极，其中传导凸出物阵列的每一传导凸出物的横向尺寸落入约30纳米至约40纳米的范围内。11.根据权利要求1所述的电极，其中化学电池是热化学电池。12.电化学系统，包含按照权利要求1的电极配置的工作电极，并还包含：对电极；浸没工作电极和对电极的电解质；和在工作电极和对电极之间施加偏压的电压源；其中偏压设定成在工作电极处将CO2转化成甲酸的水平。13.光电化学电池的光电阴极，该光电阴极包含：基材，所述基材包含光吸收材料，该光吸收材料配置成在阳光照时产生电荷载流子；由基材支撑的纳米线阵列，纳米线阵列的每一纳米线配置成从基材提取电荷载流子，纳米线阵列的每一纳米线包含氮化镓；和跨纳米线阵列的每一纳米线分布的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有金属性组合物用于将光电化学电池中的二氧化碳(CO2)催化转化...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宝文，孔祥华，郭鸿，米泽田，
申请(专利权)人：美国密歇根州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：