一种用于光解水产氢的三电极式光电化学电池制造技术

本发明专利技术涉及一种用于光解水产氢的三电极式光电化学电池，其包括光阳极、第一光阴极和第二光阴极，光阳极选用BiVO4光阳极，第一光阴极选用Cu2O光阴极，第二光阴极选用Sb2Se3光阴极，太阳光传输至所述光阳极，第一波长范围的太阳光被光阳极吸收，第二波长范围的太阳光被第一光阴极吸收，第三波长范围的太阳光被第二光阴极吸收；本发明专利技术通过设置吸收不同波段的光阳极、第一光阴极和第二光阴极的三电极结构的光电化学电池，使得该光电化学电池在无偏压条件下实现分解水制氢，实现了对各个波段太阳光的有效吸收，相较于主流的两电极光电化学电池，该光电化学电池整体的光转氢效率得到了有效的提升。效的提升。效的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种用于光解水产氢的三电极式光电化学电池


[0001]本专利技术涉及光电化学分解水产氢领域，具体涉及一种用于光解水产氢的三电极式光电化学电池。

技术介绍

[0002]光电化学分解水产氢作为一种清洁高效的新型制取氢气方式受到研究者们的广泛关注。而在光电化学分解水领域，将光阴极与光阳极用导线串联连接形成的光电化学电池是实现无偏压全分解水的主要途径。传统的两电极式光电化学电池对太阳光的吸收利用存在局限，电池的整体光转氢效率较低。因而，增强串联式光电化学电池的光吸收能力是提升光电化学电池的整体制氢效率的一条重要途径。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的首要目的是提供一种用于光解水产氢的三电极式光电化学电池，其包括光阳极、第一光阴极和第二光阴极，光阳极选用BiVO4光阳极，第一光阴极选用Cu2O光阴极，第二光阴极选用Sb2Se3光阴极，该光阳极、第一光阴极和第二光阴极吸收不同波段的太阳光，在无需偏压的情况下，有效提升了光电化学电池的整体光转氢效率。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术至少采用如下技术方案：
[0005]一种用于光解水产氢的三电极式光电化学电池，包括光阴极和光阳极，光阴极和光阳极之间通过导线连接，所述光阴极包括第一光阴极和第二光阴极；
[0006]太阳光传输至所述光阳极，第一波长范围的太阳光被光阳极吸收，包含有第二波长范围和第三波长范围的部分太阳光穿过所述光阳极传输至第一光阴极，第二波长范围的太阳光被第一光阴极吸收，包含第三波长范围的部分太阳光穿过所述第一光阴极传输至所述第二光阴极，第三波长范围的太阳光被第二光阴极吸收；
[0007]所述光阳极选用BiVO4光阳极，所述BiVO4光阳极包含第一透明导电基底、BiVO4吸光层和析氧助催化剂层；所述第一光阴极选用Cu2O光阴极，所述Cu2O光阴极包含第二透明导电基底、Cu2O吸光层和析氢助催化剂层；所述第二光阴极选用Sb2Se3光阴极，所述Sb2Se3光阴极包含第三导电基底和依次层叠于导电基底上的Sb2Se3吸光层、CdS缓冲层和析氢助催化剂层；
[0008]其中，所述第一波长范围在300nm至450nm之间，所述第二波长范围在450nm至600nm之间，所述第三波长范围在600nm至1000nm之间。
[0009]进一步地，所述光阳极与所述第一光阴极之间具有间距，所述第一光阴极与所述第二光阴极之间具有间距，所述间距均为1.5～2.0cm。
[0010]进一步地，所述光阳极、所示第一光阴极及所述第二光阴极之间平行放置。
[0011]进一步地，所述第一、第二透明导电基底选用FTO基底。
[0012]进一步地，所述第三导电基底选用Mo基底。
[0013]进一步地，所述BiVO4吸光层的厚度为1000～1200nm。
[0014]进一步地，所述Sb2Se3吸光层的厚度为为1100～1300nm。
[0015]进一步地，Cu2O吸光层采用电沉积法制备，其厚度为800～1000nm。
[0016]进一步地，所述析氧助催化剂层选用Co
‑
Pi析氧助催化剂层，其厚度为20～25nm。
[0017]进一步地，所述析氢助催化剂层选用Pt析氢助催化剂层，其厚度为20～25nm。
[0018]与现有技术相比较，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0019]本专利技术采用光阳极、第一光阴极和第二光阴极的三电极结构光电化学电池，在无需施加偏压的条件下，实现了对各个波段太阳光的有效吸收，相较于主流的两电极光电化学电池，本专利技术的光电化学电池整体的光转氢效率得到有效提升。另一方面，本专利技术的光电化学电池中电极的吸光材料分别选用了BiVO4、Cu2O、Sb2Se3半导体材料，这三种半导体材料包含的元素均属于低毒、高地球丰度元素，在实际应用过程中具有环保、低成本等优势。
附图说明
[0020]图1是本专利技术一实施例的三电极式光电化学电池的结构及工作示意图。
[0021]图2是本专利技术一实施例的BiVO4光阳极结构示意图。
[0022]图3是本专利技术一实施例的Cu2O光阴极结构示意图。
[0023]图4是本专利技术一实施例的Sb2Se3光阴极结构示意图。
具体实施方式
[0024]接下来将结合本专利技术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，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的前提下所获得的其它实施例，均属于本专利技术保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
[0025]本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
[0026]另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
[0027]本专利技术一实施例提供一种用于光解水产氢的三电极式光电化学电池，包括光阴极和光阳极，光阴极包括第一光阴极和第二光阴极，光阳极与第一光阴极和第二光阴极之间通过导线连接，如图1示。
[0028]光阳极吸收第一波长范围的太阳光，第一波长范围例如是300nm至450nm，在一优选实施例中，光阳极选用BiVO4光阳极，BiVO4光阳极包含透明导电基底、BiVO4吸光层和析氧助催化剂层。透明导电基底例如选用FTO基底，BiVO4吸光层的厚度为1000～120 0nm。BiVO4吸光层选用电沉积工艺制备获得，首先，将FTO基底切割成所需大小，配制电沉积前驱膜所需的电镀液：将6～8mM的Bi(NO3)3与0.3～0.5M的NaI溶解于HNO3溶液中获得100mL混合溶液
①
；将0.3～0.5M的苯醌溶液溶解于乙醇中获得45mL混合溶液
②
；将溶液
①
与溶液
②
混合并
搅拌40～50min获得最终的电镀液。
[0029]在沉积最开始的4～6s选用
‑
0.2～0.4V的电位进行预沉积；在之后的6～7min，选用
‑
0.1～0.15V电位进行继续电沉积。最终，在FTO导电基底上获得BiOI前驱膜，随后用去离子水冲洗后吹干。
[0030]紧接着将BiOI前驱膜浸渍于0.4～0.5M的DMSO溶液中20～30s，以去除电沉积过程中多余的钒源溶液。随后将浸渍后的前驱膜转移到已预热为100～130℃的马弗炉中；温度首先以1℃/min的速率升高到250～350℃；随后以2℃/min的速率升高到350～450℃，保本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光解水产氢的三电极式光电化学电池，包括光阴极和光阳极，光阴极和光阳极之间通过导线连接，其特征在于，所述光阴极包括第一光阴极和第二光阴极；太阳光传输至所述光阳极，第一波长范围的太阳光被光阳极吸收，包含有第二波长范围和第三波长范围的部分太阳光穿过所述光阳极传输至第一光阴极，第二波长范围的太阳光被第一光阴极吸收，包含第三波长范围的部分太阳光穿过所述第一光阴极传输至所述第二光阴极，第三波长范围的太阳光被第二光阴极吸收；所述光阳极选用BiVO4光阳极，所述BiVO4光阳极包含第一透明导电基底、BiVO4吸光层和析氧助催化剂层；所述第一光阴极选用Cu2O光阴极，所述Cu2O光阴极包含第二透明导电基底、Cu2O吸光层和析氢助催化剂层；所述第二光阴极选用Sb2Se3光阴极，所述Sb2Se3光阴极包含第三导电基底和依次层叠于导电基底上的Sb2Se3吸光层、CdS缓冲层和析氢助催化剂层；其中，所述第一波长范围在300nm至450nm之间，所述第二波长范围在450nm至600nm之间，所述第三波长范围在600nm至1000nm之间。2.根据权利要求1的所述光电化学电池，其特征在于，所述光阳极与所述第一光阴极之间具有间距，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄定旺，乔梁，王康，李笑玮，夏鹏飞，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：