双晶面耦合的光阴极、制备方法及其应用技术

本发明专利技术揭示了一种双晶面耦合的光阴极、制备方法及其应用，所述光阴极包括n

【技术实现步骤摘要】
双晶面耦合的光阴极、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于光电化学催化还原CO2
，具体涉及一种双晶面耦合的光阴极、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]自工业革命以来，煤炭、石油等化石燃料的大量燃烧所导致环境污染和能源短缺是当前人类社会生存与发展所面临的重要挑战，受到当今国际社会普遍关注。为此，寻找促进碳循环的手段以及对太阳能等可再生资源的开发的方式，愈发受到人们重视。其中，通过基于半导体材料的光电化学(PEC)方法，利用太阳能驱动还原二氧化碳(CO2)成高价值附加的燃料，是解决能源和环境问题最可行的途径之一。Si作为一种窄带隙的半导体材料，因为其低成本，高光伏，制作工艺简单的优势，在PEC系统还原CO2上潜力巨大。然而，Si光阴极在没有催化剂修饰的情况下难以克服活化CO2分子所需跨越的能量壁垒，需要更大的外加偏压来驱动CO2还原反应进行；同时，发生在在Si光阴极表面析氢反应的动力学过程要比还原CO2更加有利，故而在CO2还原反应过程中不可避免的存在析氢反应竞争，同样严重阻碍了对CO2的有效转换。Au、Ag和Zn等金属催化剂可以促进水溶液中CO2还原反应以实现选择性生成CO。通过调整表面原子排列，可以进一步提高金属催化剂CO2还原的活性和选择性。但是，在Si表面制备特定原子排列的Au催化剂，增强Si光阴极CO2还原活性和选择性的研究还未见报道，值得进一步深入研究。
[0003]因此，针对上述技术问题，有必要提供一种双晶面耦合的光阴极、制备方法及其应用。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种双晶面耦合的光阴极、制备方法及其应用。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术一实施例提供的技术方案如下：
[0006]一种双晶面耦合的光阴极，所述光阴极包括n
+
/p
‑
Si基底、沉积于n
+
/p
‑
Si基底上的Au(200)纳米颗粒、及沉积于Au(200)纳米颗粒上的Au(111)纳米颗粒。
[0007]一实施例中，所述Au(200)纳米颗粒的径粒大小为20～60nm，所述Au(111)纳米颗粒的径粒大小为10～30nm。
[0008]本专利技术另一实施例提供的技术方案如下：
[0009]一种双晶面耦合的光阴极的制备方法，所述制备方法包括：
[0010]S1、提供n
+
/p
‑
Si基底，并封装；
[0011]S2、在n
+
/p
‑
Si基底上采用化学沉积工艺沉积Au(200)纳米颗粒；
[0012]S3、在Au(200)纳米颗粒表面采用恒电流沉积工艺沉积Au(111)纳米颗粒。
[0013]一实施例中，所述步骤S2具体为：
[0014]将n
+
/p
‑
Si基底放入氯金酸与氢氟酸的混合水溶液中，采用化学沉积工艺沉积Au(200)纳米颗粒。
[0015]一实施例中，所述氯金酸与氢氟酸的混合水溶液中，氯金酸的浓度为0.1～1mM，氢氟酸的浓度为1～10wt％。
[0016]一实施例中，所述步骤S3具体为：
[0017]在氯金酸电解液中，沉积有Au(200)纳米颗粒的n
+
/p
‑
Si基底作为光阴极，Ag/AgCl和碳棒分别作为参比电极和对电极，构成三电极体系；
[0018]在恒定太阳光强下，以恒电流沉积工艺在Au(200)纳米颗粒表面沉积Au(111)纳米颗粒。
[0019]一实施例中，所述氯金酸电解液的浓度为0.05～0.2mM，恒定太阳光强为0.5～1.5个太阳光强，恒电流沉积工艺中电流大小为～
‑
0.1
‑
0.01mA，沉积时间为1～10min。
[0020]一实施例中，所述步骤S2前还包括：
[0021]将封装好的n
+
/p
‑
Si基底依次放入氢氟酸、去离子水中清洗，并放入N2环境下烘干。
[0022]一实施例中，所述氢氟酸的浓度为1～10wt％，清洗时间为10～60s。
[0023]本专利技术又一实施例提供的技术方案如下：
[0024]一种双晶面耦合的光阴极的应用，所述光阴极应用于光电化学催化还原CO2。
[0025]本专利技术具有以下有益效果：
[0026]本专利技术采用n
+
/p
‑
Si为基底，基于其光吸收效率高、材料无毒环保、地壳中含量丰富、工业化制备体系成熟；采用贵金属Au作为催化剂，基于其催化活性强，对CO选择性高，化学性质稳定；
[0027]本专利技术中双晶面耦合的Au(111)/Au(200)/(n
+
/p
‑
Si)光阴极的制备工艺简单，制备过程能耗低；
[0028]本专利技术中双晶面耦合的Au(111)/Au(200)/(n
+
/p
‑
Si)光阴极，基于对Au催化剂的晶面调控效应，极大的提高了Si光阴极光电二氧化碳(CO2)还原生成一氧化碳(CO)的催化活性及选择性。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为本专利技术中双晶面耦合的光阴极制备方法的流程示意图；
[0031]图2a为本专利技术实施例1中Au(111)/Au(200)/(n
+
/p
‑
Si)光阴极的表面形貌扫描电镜图；
[0032]图2b为本专利技术对比例1中Au(200)/(n
+
/p
‑
Si)光阴极的表面形貌扫描电镜图；
[0033]图2c为本专利技术对比例2中Au(111)/(n
+
/p
‑
Si)光阴极的表面形貌扫描电镜图；
[0034]图3为本专利技术实施例1和对比例1、对比例2中光阴极的电流密度
‑
电位曲线图；
[0035]图4为本专利技术实施例1和对比例1、对比例2中光阴极在
‑
0.4V vs RHE测试条件下的法拉第效率对比图。
具体实施方式
[0036]为了使本
的人员更好地理解本专利技术中的技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0037]本专利技术公开了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双晶面耦合的光阴极，其特征在于，所述光阴极包括n
+
/p
‑
Si基底、沉积于n
+
/p
‑
Si基底上的Au(200)纳米颗粒、及沉积于Au(200)纳米颗粒上的Au(111)纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的光阴极，其特征在于，所述Au(200)纳米颗粒的径粒大小为20～60nm，所述Au(111)纳米颗粒的径粒大小为10～30nm。3.一种双晶面耦合的光阴极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1、提供n
+
/p
‑
Si基底，并封装；S2、在n
+
/p
‑
Si基底上采用化学沉积工艺沉积Au(200)纳米颗粒；S3、在Au(200)纳米颗粒表面采用恒电流沉积工艺沉积Au(111)纳米颗粒。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：将n
+
/p
‑
Si基底放入氯金酸与氢氟酸的混合水溶液中，采用化学沉积工艺沉积Au(200)纳米颗粒。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述氯金酸与氢氟酸的混合水溶液中，氯金酸的浓度为0.1～1mM，氢氟酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈明荣，胡嘉鑫，范荣磊，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：