一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧光阳极及其电极系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧光阳极及其电极系统，该GeSe光阳极包括透明导电基底和依次设置于透明导电基底上的CdS电子传输层、空心砖结构的GeSe吸光层和析氧助催化剂层，该电极系统光阳极中GeSe作为吸光层具有窄禁带宽度(1.1eV)、高光吸收能力等特点。同时，GeSe吸光层结合CdS电子传输层形成陷光结构，析氧助催化剂设置于GeSe吸光层上，太阳光自透明导电基底侧入射，该高光吸收能力的光阳极电极系统相较于传统的宽禁带n型半导体制成的光阳极电极系统具有更高的光转氢效率。且本发明专利技术的材料具有低毒、低成本、易扩展等特点，利于该光阳极电极系统的大规模实际制氢应用。际制氢应用。际制氢应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧光阳极及其电极系统


[0001]本专利技术涉及光电催化分解水领域，尤其涉及一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧光阳极及其电极系统。

技术介绍

[0002]利用光电催化裂解水将太阳能转换为氢能的方式，被认为是有效存储再利用太阳能的技术手段之一。研究者多将n型半导体(如BiVO4、Fe2O3)制备成光阳极，在光照和外加偏压条件下，其直接参与裂解水产氧半反应，而在对电极实现氢气的产出。然而，此类n型半导体禁带宽度通常较大，如BiVO4禁带宽度为2.4eV,Fe2O3禁带宽度为2.2eV。较大的禁带宽度导致较低的光吸收效率，进而导致整个光阳极的光转氢效率低下。因此，提升光阳极材料的光吸收能力对提升电极系统的整体光转氢效率具有重要意义。

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基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧光阳极及其电极系统，该光阳极将窄禁带宽度、高光吸收能力的p型半导体GeSe薄膜设计制备成光阳极，并结合CdS电子传输层将该光阳极设计为陷光结构进一步提高其光吸收能提，进而提升了光阳极电极系统的整体光转氢效率。
[0004]本专利技术至少采用如下技术方案：
[0005]一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧电极系统，其包括GeSe光阳极，对电极和参比电极，所述GeSe光阳极包括透明导电基底和依次设置于所述透明导电基底上的电子传输层、空心砖结构的GeSe吸光层和析氧助催化剂层。
[0006]进一步地，所述GeSe层的厚度为4μm～5μm。
[0007]进一步地，所述电子传输层选用CdS层，所述CdS层的厚度为60～70nm。
[0008]进一步地，所述透明导电基底选用FTO基底。
[0009]进一步地，所述析氧助催化剂层选用Co
‑
Pi纳米颗粒或Ni金属薄膜，其厚度为20nm～25nm。
[0010]进一步地，所述对电极选用Pt片电极，所述参比电极选用Ag/AgCl参比电极。
[0011]本专利技术另一方面还提供了一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧光阳极，包括透明导电基底，和依次设置于所述透明导电基底上的电子传输层、空心砖结构的GeSe吸光层及析氧助催化剂层。
[0012]进一步地，所述GeSe吸光层的厚度为4μm～5μm。
[0013]进一步地，所述电子传输层选用CdS层，所述CdS层的厚度为60～70nm。
[0014]进一步地，所述透明导电基底选用FTO基底；所述析氧助催化剂层选用Co
‑
Pi纳米颗粒或Ni金属薄膜，其厚度为20nm～25nm。
[0015]与现有技术相比，本专利技术至少具备如下有益效果：
[0016]本专利技术中将二元化合物p型半导体GeSe制成光阳极用于光电催化裂解水产氧，该光阳极中GeSe作为吸光层具有窄禁带宽度(1.1eV)、高光吸收能力等特点，同时，GeSe吸光层结合CdS电子传输层形成陷光结构，析氧助催化剂设置于GeSe吸光层上，太阳光自透明导电基底侧入射。因而，该高光吸收能力的光阳极电极系统相较于传统的宽禁带n型半导体制成的光阳极电极系统具有更高的光转氢效率。
[0017]另一方面，本专利技术中光阳极选用的吸光材料为二元化合物GeSe，制备过程中不易产生杂相及缺陷，晶体质量较高。且本专利技术中采用的快速热蒸发法用到的设备简便，操作简单。且本专利技术的材料具有低毒、低成本、易扩展等特点，利于该光阳极的大规模实际制氢应用。
[0018]另一方面，本专利技术中利用快速热蒸发法制备的GeSe薄膜具有空心砖结构，其多孔的陷光结构有助于提升光阳极的光吸收效率，进而提升光阳极电极系统整体的光转氢效率。
附图说明
[0019]图1是本专利技术一实施例的GeSe光阳极电极系统光电催化裂解水产氧示意图。
[0020]图2是本专利技术一实施例的快速热蒸发法制备空心砖GeSe吸光层示意图。
[0021]图3是本专利技术一实施例制备的空心砖GeSe薄膜表面的扫描电子显微镜照片。
[0022]图4是本专利技术一实施例的GeSe光阳极的结构示意图。
具体实施方式
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]本专利技术一实施例提供一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧电极系统，该电极系统包括GeSe光阳极、对电极和参比电极，该GeSe光阳极是一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧光阳极，其包括透明导电基底、电子传输层、GeSe吸光层和析氧助催化剂层。在一优选实施例中，对电极选用Pt片对电极，参比电极选用Ag/AgCl参比电极，整个电极系统的工作示意图如图1所示，该电极系统在外接偏压的辅助下，当GeSe电极片的FTO侧接受光照后，GeSe光阳极表面激发出大量空穴参与裂解水产氧半反应，电子则转移到Pt对电极表面进行析氢半反应。
[0027]本专利技术提供的基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧光阳极，其吸光层选用空心
砖结构的GeSe薄膜，其具有约1.1eV的窄禁带宽度、高光吸收能力的特点，与CdS电子传输层先后设置于透明导电基底上，显著提升了光阳极电极系统整体的光转氢效率。
[0028]该GeSe光阳极中，透明导电基底选用FTO、ITO、IZO等；在一优选实施例中，透明导电基底选用FTO基底。
[0029]电子传输层设置于透明导电基底上，电子传输层选用CdS电子传输层，CdS电子传输层的厚度为60nm至70nm。在一优选实施例中，采用化学水浴法在FTO导电基底上沉积CdS电子传输层，首先，将FTO基底切割为所需大小，随后依次放入酒精和丙酮溶剂中超声清洗30～45min，用去离子水冲洗并吹干。随后，调配化学水浴所需的反应液，将11～13mM的CdSO4、0.22～0.28M的硫脲与11～13M氨水溶解于超纯水中获得化学水浴反应液，随后将反应液加热至55～65℃；将上述清洗吹干的FTO基底置于反应液中，化学水浴反应时间为13～16min，制备的CdS层厚度为60～70nm，得到结构为FTO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空心砖硒化亚锗薄膜的光解水产氧电极系统，其特征在于，其包括GeSe光阳极，对电极和参比电极，所述GeSe光阳极包括透明导电基底和依次设置于所述透明导电基底上的电子传输层、空心砖结构的GeSe吸光层和析氧助催化剂层。2.根据权利要求1的所述光解水产氧电极系统，其特征在于，所述GeSe层的厚度为4μm～5μm。3.根据权利要求1或2的所述光解水产氧电极系统，其特征在于，所述电子传输层选用CdS层，所述CdS层的厚度为60～70nm。4.根据权利要求3的所述光解水产氧电极系统，其特征在于，所述透明导电基底选用FTO基底。5.根据权利要求3的所述光解水产氧电极系统，其特征在于，所述析氧助催化剂层选用Co
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Pi纳米颗粒或Ni金属薄膜，其厚度为20nm～25nm。...

【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：