【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光电化学裂解水制氢领域，具体涉及一种高效稳定的agbis2基复合光阴极的结构层设计及其制备方法。
技术介绍
1、氢能作为一种可再生的新兴清洁能源，其大规模应用可助力我国早日实现能源转型及双碳目标。利用太阳能制取绿氢的方式被认为是环保无污染且最具前途的生产氢能的方式之一。其中，利用半导体光电极的光电化学裂解水制氢技术，因其集成度高、成本低廉、产物气体易分离且能量转换效率上限较高等优势而被各国研究者广泛关注。目前，发展光电化学裂解水制氢技术的主流路径为寻找低毒环保的无机化合物半导体材料作为光电极的吸光层，并在其上修饰各功能层提升光电极内电荷分离效率及电极耐腐蚀性。因此，寻找合适的吸光层材料并对其进行适当的结构层设计对实现高效稳定的光电化学裂解水制氢具有重要意义。
2、目前一种相关的现有技术是利用光电化学(pec)系统进行水裂解制氢，其中使用基于iii-v族半导体的光阴极(如gaas基底上的p-ingap)。该光阴极具有良好的光吸收性和稳定性，但仍存在一些问题：
3、1)成本问题：iii-v族半导体材料贵重，且生产工艺复杂，增加了设备的制造成本，这限制了它的大规模应用。
4、2)稳定性问题：尽管iii-v族半导体具有良好的光吸收性，但在pec水裂解过程中，会因为光腐蚀和化学稳定性问题，导致设备性能下降。
5、3)环保问题：iii-v族半导体中某些元素(如as)对环境有害，不利于实现绿色可持续发展。
技术实现思路
1、本专利技术
2、为达上述目的，本专利技术将采取如下技术方案：一种用于光电化学裂解水制氢的agbis2基光阴极的结构设计，包括，
3、位于最底部的导电基底；
4、位于所述导电基底上方的吸光层；
5、位于所述吸光层上方的缓冲层；
6、位于所述缓冲层上方的保护层；
7、位于所述保护层上方的析氢助催化剂层；
8、进一步地，所述导电基底为镀mo基底。
9、进一步地，所述吸光层为agbis2，所述缓冲层为cds。
10、进一步地，所述保护层为tio2，所述析氢助催化剂层为pt纳米颗粒。
11、进一步地，所述agbis2层厚度为900～1000nm，所述cds层厚度为80～90nm。
12、进一步地，所述tio2层厚度为50～60nm，所述pt纳米颗粒层厚度为20～30nm。
13、本专利技术中的agbis2基光阴极在工作时还应搭配ag/agcl参比电极以及pt对电极，以构成三电极体系。
14、一种用于光电化学裂解水制氢的agbis2基光阴极的制备方法，其特征在于，
15、利用喷雾热解法在导电基底上沉积agbis2吸光层；
16、利用化学水浴法在上述的agbis2吸光层上沉积cds缓冲层；
17、利用原子层沉积法在上述的cds缓冲层上沉积tio2保护层；
18、利用光辅助电沉积法在上述的tio2保护层上沉积pt纳米颗粒作为析氢助催化剂层。
19、根据本专利技术的另一方面，提供一种agbis2基光阴极的制备方法，其包括：
20、位于最底部的镀钼基底，位于镀钼基底上方的agbis2吸光层，位于吸光层上方的cds缓冲层，位于缓冲层上方的tio2保护层，位于保护层上方的pt析氢助催化剂层。
21、进一步地，所述agbis2层采用喷雾热解法制备，所述cds层采用化学水浴沉积法制备，所述tio2层采用原子层沉积法制备，所述的pt纳米颗粒层采用光辅助电沉积法制备。
22、进一步地，所述agbis2层的沉积厚度为900～1000nm，所述cds层的沉积厚度为80～90nm，所述tio2层沉积厚度为50～60nm，所述pt纳米颗粒层沉积厚度为20～30nm。
23、进一步地，所述喷雾热解法制备agbis2层，具体步骤包括先进行喷雾热解前驱液的配制，喷涂温度控制为300～320℃，喷涂时气体流量为17～20l/min，喷涂时长为450～500s。
24、进一步地，所述喷雾热解法前驱液配制步骤包括，将1～1.05g agno3与0.45～0.5g硫脲溶解于5～6ml二甲基亚砜溶剂中并搅拌至澄清得到溶液①；将2.9～3g bi(no3)3·5h2o与0.45～0.5g硫脲溶解于5～6ml二甲基亚砜溶剂中并搅拌至澄清得到溶液②，喷涂前混合溶液①与溶液②并搅拌至澄清得到喷雾热解前驱液。
25、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
26、第一，本专利技术首次实现了三元无机化合物半导体agbis2的光电化学裂解水制氢，该材料所含元素在地球中储量丰富且无毒环保。此外，本专利技术中使用了喷雾热解法来制备agbis2薄膜，该方法操作简单、设备简便、成本低廉，适用于其大规模生产。
27、本专利技术中通过在agbis2薄膜上依次修饰cds缓冲层、tio2保护层以及pt析氢助催化剂层分别提升电极内载流子分离效率、减缓电极光电腐蚀进程及促进电荷表面注入，从而实现了agbis2基光阴极高效且稳定的光电化学裂解水制氢。
28、本专利技术提出了一个agbis2基光阴极的结构，包括导电基底、吸光层、缓冲层、保护层和析氢助催化剂层，这种多层结构可以实现有效的光吸收、电荷分离和转移，提高了光电化学裂解水制氢的效率。
29、本专利技术的导电基底为镀mo基底和吸光层为agbis2以及缓冲层为cds，这种材料和结构的选择可以提高设备的光吸收性和稳定性，进一步提高了光电化学裂解水制氢的效率。
30、本专利技术的保护层为tio2，这种材料可以有效保护底层结构免受腐蚀，提高了设备的稳定性和寿命。
31、本专利技术的析氢助催化剂层为pt纳米颗粒，这种材料可以提高析氢反应的速度，提高了光电化学裂解水制氢的效率。
32、本专利技术的吸光层和缓冲层的制备方法，通过喷雾热解法制备agbis2薄膜和通过化学水浴法沉积cds薄膜，这两种方法都是低成本且可大规模生产的方法，降低了设备的制造成本。
33、特定了保护层的制备方法，通过原子层沉积法在cds层上沉积tio2薄膜，这种方法可以精确控制薄膜的厚度，提高了设备的性能。
34、特定了析氢助催化剂层的制备方法，通过光辅助电沉积法在tio2层上沉积pt颗粒，这种方法可以精确控制pt颗粒的粒径，提高了设备的性能。
35、agbis2基光阴极在光电化学裂解水制氢时的应用，表明了这种光阴极在实际应用中的价值，提高了光电化学裂解水制氢的效率和经济性。
36、第二，本专利技术选用无毒环保、低成本的无机化合物半导体材料agbis2作为光阴极吸收层，符合绿色制氢理念本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于光电化学裂解水制氢的AgBiS2基光阴极，其特征在于，其包括：
2.根据权利要求1所述的AgBiS2基光阴极，其特征在于，所述的导电基底为镀Mo基底；所述的吸光层为AgBiS2，其厚度为900～1000nm；所述的缓冲层为CdS，其厚度为80～90nm。
3.根据权利要求1所述的AgBiS2基光阴极，其特征在于，所述的保护层为TiO2，其厚度为50～60nm。
4.根据权利要求1所述的AgBiS2基光阴极，其特征在于，所述的析氢助催化剂层为Pt纳米颗粒，其粒径为20～30nm。
5.根据权利要求2所述的AgBiS2基光阴极，其特征在于，所述的吸光层AgBiS2，其特征在于，利用喷雾热解法在镀Mo基底上喷涂AgBiS2薄膜；所述的缓冲层CdS；利用化学水浴法在AgBiS2层上沉积CdS薄膜；所述的保护层TiO2；利用原子层沉积法在CdS层上沉积TiO2薄膜。
6.一种用于光电化学裂解水制氢的AgBiS2基光阴极的制备方法，其特征在于，首先，利用喷雾热解法在导电基底上沉积AgBiS2吸光层，该导电基底为镀钼基底；
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述AgBiS2吸光层的沉积厚度为900～1000nm，以实现优化的光吸收性能；所述CdS缓冲层的沉积厚度为80～90nm，优化光生电子-空穴分离；所述TiO2保护层沉积厚度为50～60nm，确保稳定覆盖；所述Pt纳米颗粒层沉积厚度为20～30nm，以确保最佳的催化活性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述喷雾热解法制备AgBiS2层的具体步骤中，喷涂时采用的喷嘴直径为0.5-1.0mm，以实现均匀沉积；喷涂温度控制为300～320℃，喷涂时气体流量为17～20L/min，喷涂时长为450～500s，以确保材料质量。
9.根据权利要求8所述的方法，所述的喷雾热解前驱液配制步骤中，所使用的二甲基亚砜溶剂均为分析纯，且在配制前进行超声处理10-15分钟以确保其纯净；喷涂前混合溶液①与溶液②并搅拌至澄清得到喷雾热解前驱液。
10.根据权利要求6所述的AgBiS2基光阴极，其中在光电化学裂解水制氢时的工作电压为1.2-1.6V(相对于Ag/AgCl)，且该光阴极在pH值为7的溶液中展现出超过10小时的稳定工作性能。
...【技术特征摘要】
1.一种用于光电化学裂解水制氢的agbis2基光阴极，其特征在于，其包括：
2.根据权利要求1所述的agbis2基光阴极，其特征在于，所述的导电基底为镀mo基底；所述的吸光层为agbis2，其厚度为900～1000nm；所述的缓冲层为cds，其厚度为80～90nm。
3.根据权利要求1所述的agbis2基光阴极，其特征在于，所述的保护层为tio2，其厚度为50～60nm。
4.根据权利要求1所述的agbis2基光阴极，其特征在于，所述的析氢助催化剂层为pt纳米颗粒，其粒径为20～30nm。
5.根据权利要求2所述的agbis2基光阴极，其特征在于，所述的吸光层agbis2，其特征在于，利用喷雾热解法在镀mo基底上喷涂agbis2薄膜；所述的缓冲层cds；利用化学水浴法在agbis2层上沉积cds薄膜；所述的保护层tio2；利用原子层沉积法在cds层上沉积tio2薄膜。
6.一种用于光电化学裂解水制氢的agbis2基光阴极的制备方法，其特征在于，首先，利用喷雾热解法在导电基底上沉积agbis2吸光层，该导电基底为镀钼基底；其次，利用化学水浴法在所述的agbis2吸光层上沉积cds缓冲层，用于增强电子-空穴分离效率；接着，利用原子层沉积法在所述的cds缓冲层上沉...
【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：
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