專利名稱：一種光催化水分解的裝置及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光催化領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種光催化水分解的裝置及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著化石燃料的日益枯竭，及其帶來的嚴(yán)重環(huán)境危害，尋求一種可替代的清潔可再生能源是人類的迫切愿望。太陽能是一種取之不盡用之不竭的天然能源，利用太陽能發(fā)電早已變?yōu)榱爽F(xiàn)實。此外利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣是近代研究的一個熱點方向，這樣做的優(yōu)勢在于，能量以氫氣形式儲存要比以電能或者熱能儲存起來方便的多；氫氣摩爾熱值高140kJ/g)，儲能量大，清潔環(huán)保，無毒害，是一種具有極大潛在優(yōu)勢的燃料和能源；而且，由水產(chǎn)生氫氣，燃燒后重新生成水，其凈結(jié)果是光能轉(zhuǎn)變?yōu)榱嘶瘜W(xué)能，如能實現(xiàn)光解水獲得氫氣則能達(dá)到能源可持續(xù)性；氫氣不僅是一種儲存著高能量的清潔能源，而且亦是一種極為重要的化工原料，如合成氨、甲醇，以及參與加氫、脫硫、脫氮、脫金屬等反應(yīng)，特別是還可以加氫還原溫室氣體二氧化碳。所以，找到一種有利的完全水分解方式成為了關(guān)鍵。1971年，日本科學(xué)家Fujishima和Honda首次報道了二氧化鈦在紫外光照射下,配合上極小的外加電壓就能分解純水的科技發(fā)現(xiàn)，這項發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了近代光催化領(lǐng)域的新篇章。為了在沒有外加電壓的幫助下亦可以完全分解水，在近40年的時間里，數(shù)不勝數(shù)的光解水催化劑被研發(fā)，反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)模型也被不斷地構(gòu)建與更新。典型的光解水催化劑有TiO2,CdS, (Ga1^xZnx) (N1^xOx), TaON, SrTiO3等，還有眾多為了克服單種光催化劑不足而研發(fā)的復(fù)合型光解水催化劑如 Pt/Ti02，CdS/Ti02, ZnO/CdS, Ti02/Ru02 等

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高效耐腐蝕的水分解系統(tǒng)，讓氫氣氧氣分別在光陰極和光陽極上產(chǎn)生，減輕后續(xù)分離負(fù)擔(dān)。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)一種光催化水分解的裝置，包括光接收部件、光陽極和光陰極，其中光接收部件可選用符合國標(biāo)或國際標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池或者太陽能電池片，例如Uni-solar公司P型電池片，用于接收光能；所述光接收部件的正極與光陽極相連，負(fù)極與光陰極相連；所述光陽極采用金屬鈦作為陽極，或金屬鈦板作為基體，將過渡金屬與(或)其氧化物作為負(fù)載涂層的鈦陽極，如鉭銥鈦、釕銥鈦、釕銥錫鈦陽極，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，導(dǎo)電性好，降低過電位等優(yōu)點，例如可從寶雞市祺鑫鈦業(yè)有限公司購買；所述光陰極采用電沉積法制備的Ni-Mo合金材料，配置含Ni，Mo金屬離子的溶液，以惰性金屬為陽極，選取合適金屬材料作為基體并作為陰極，加直流電壓進(jìn)行電沉積反應(yīng)以得到沉積有Ni-Mo合金前驅(qū)體的材料，然后將其浸泡在堿性環(huán)境中進(jìn)行活化后，再與光接收部件相連；其中選取作為基體的金屬材料需要用肥皂水，去離子水，無水乙醇依次洗凈后，自然風(fēng)干后在進(jìn)行電沉積反應(yīng)，在配置電沉積需要的溶液時，可根據(jù)最終合金中Ni，Mo需要的比例， 一般來說，NiaMo,合金中，0 < a < 1，0 < 3 < 1，且兩者之和為1，調(diào)整加入鹽的類型或者數(shù)量，參考文獻(xiàn)為Reece，S. Y.，J.A.Hamel，et al. (2011). " WirelessSolar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-AbundantCatalysts. " Science 334(6056) :645_648。在使用時，首先將光接收部件(太陽能電池)的導(dǎo)電部分進(jìn)行清潔處理后，利用導(dǎo)線、焊錫、導(dǎo)電膠帶或?qū)щ娔z將正極與過渡金屬負(fù)載的鈦陽極相連，負(fù)極與NiaMo0光陰極相連，浸泡在電解質(zhì)溶液中(例如50g/L的硼酸鉀溶液，需要提供一定的電導(dǎo)率)，通過光接收部件(太陽能電池)接收外部光能(例如可見光)，以實現(xiàn)光催化下水的分解，在陽極和陰極分別獲得氧氣和氫氣。


圖I光催化水分解結(jié)構(gòu)示意圖，其中I-太陽能電池，2-負(fù)極，3-正極，4-Ni-Mo合金光陰極，5-光陽極。圖2Ni_Mo合金光陰極催化劑的掃描電鏡圖像，電鏡型號Hitachi S-4800。圖3光陽極材料掃描電鏡圖像，其中a-鉭銥鈦陽極表面，b-釕銥鈦陽極表面，C-鉭銥鈦陽極截面，d-釕銥鈦陽極截面，電鏡型號Hitachi S-4800。圖4循環(huán)伏安曲線a_鉭銥鈦陽極，b-釕銥鈦陽極，C-釕銥錫鈦陽極，d-鈦陽極，陰極為Nia62Moa38合金。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。實施例I稱取7.477g碳酸氫鈉，3.457g焦磷酸鈉，0.951g硝酸鎳，0. 177g鑰酸鈉溶于IOOml去離子水中，劇烈攪拌,超聲分散使之完全溶解,滴加3滴水合肼，攪拌均勻待用。剪取合適大小的泡沫鎳一塊，用肥皂水，去離子水，無水乙醇依次洗凈后自然風(fēng)干，作為陽極基體。干凈的鉬絲一條作為陰極。在兩極間加IOV vs. Ag/AgCl (參比電極)持續(xù)至少1800s,使溶液中的金屬離子沉積完全。將電沉積完畢的光陰極前驅(qū)體置于10M(10mol/L)的氫氧化鉀溶液中24h，清洗風(fēng)干后得到組成為Nia82Moa 18的光陰極材料。將Nia82Moa 18和鉭銥鈦陽極分別用導(dǎo)電膠(或?qū)Ь€)連接至太陽能電池的負(fù)極與正極，插入50g/L的硼酸鉀電解質(zhì)溶液中，在可見光下即可完成水分解反應(yīng)。實施例2稱取7. 477g碳酸氫鈉，3. 457g焦磷酸鈉，0. 95Ig硝酸鎳，0. 484g鑰酸鈉溶于IOOml去離子水中，劇烈攪拌,超聲分散使之完全溶解,滴加3滴水合肼，攪拌均勻待用。剪取合適大小的泡沫鎳一塊，用肥皂水，去離子水，無水乙醇依次洗凈后自然風(fēng)干，作為陽極基體。干凈的鉬絲一條作為陰極。在兩極間加IOV vs.Ag/AgCl持續(xù)至少1800s，使溶液中的金屬離子沉積完全。將電沉積完畢的光陰極前驅(qū)體置于IOM的氫氧化鉀溶液中24h，清洗風(fēng)干后得到組成為Nia62Moa38的光陰極材料。將Nia62Moa38和釕銥鈦陽極分別用導(dǎo)電膠(或?qū)Ь€)連接至太陽能電池的負(fù)極與正極，插入50g/L的硼酸鉀電解質(zhì)溶液中，在可見光下即可完成水分解反應(yīng)。
實施例3稱取7. 477g碳酸氫鈉，3. 457g焦磷酸鈉，O. 951g硝酸鎳，I. OOlg鑰酸鈉溶于IOOml去離子水中，劇烈攪拌,超聲分散使之完全溶解,滴加3滴水合肼，攪拌均勻待用。剪取合適大小的泡沫鎳一塊，用肥皂水，去離子水，無水乙醇依次洗凈后自然風(fēng)干，作為陽極基體。干凈的鉬絲一條作為陰極。在兩極間加IOV vs.Ag/AgCl持續(xù)至少1800s，使溶液中的金屬離子沉積完全。將電沉積完畢的光陰極前驅(qū)體置于IOM的氫氧化鉀溶液中24h，清洗風(fēng)干后 得到組成為Nia44Moa56的光陰極材料。將Nia44Moa56和釕銥錫鈦陽極分別用導(dǎo)電膠(或?qū)Ь€)連接至太陽能電池的負(fù)極與正極，插入50g/L的硼酸鉀電解質(zhì)溶液中，在可見光下即可完成水分解反應(yīng)。實施例4 稱取7. 477g碳酸氫鈉，3. 457g焦磷酸鈉，O. 95Ig硝酸鎳，2. 005g鑰酸鈉溶于IOOml去離子水中，劇烈攪拌,超聲分散使之完全溶解,滴加3滴水合肼，攪拌均勻待用。剪取合適大小的泡沫鎳一塊，用肥皂水，去離子水，無水乙醇依次洗凈后自然風(fēng)干，作為陽極基體。干凈的鉬絲一條作為陰極。在兩極間加IOV vs.Ag/AgCl持續(xù)至少1800s，使溶液中的金屬離子沉積完全。將電沉積完畢的光陰極前驅(qū)體置于IOM的氫氧化鉀溶液中24h，清洗風(fēng)干后得到組成為Nia28Moa72的光陰極材料。將Nia28Moa72和金屬鈦陽極分別用導(dǎo)電膠(或?qū)Ь€)連接至太陽能電池的負(fù)極與正極，插入50g/L的硼酸鉀電解質(zhì)溶液中，在可見光下即可完成水分解反應(yīng)。上述實施例中按照所需NiaMoe合金中，α、β的數(shù)值需要配置相應(yīng)溶液，采用直流電壓進(jìn)行電化學(xué)沉積反應(yīng)，為保證溶液中金屬元素的沉積效果，維持電壓一段時間(至少1800s，相當(dāng)于電沉積半小時)，即可實現(xiàn)溶液中金屬元素基本上均沉積在泡沫鎳基體上。通過電鏡型號Hitachi S-4800的能譜探頭(美國Edax公司的EDS探頭)，對相同制備條件下利用鐵片作為陽極基體的直流電壓電沉積后，并經(jīng)過IOM的氫氧化鉀溶液活化的樣品進(jìn)行EDS元素分析(元素百分比m0l%)如下表所示，基本上實現(xiàn)預(yù)先設(shè)計的合金中元素的比例。
權(quán)利要求
1.一種光催化水分解的裝置，包括光接收部件、光陽極和光陰極，其中所述光接收部件用于接收光能，其正極與光陽極相連，負(fù)極與光陰極相連；其特征在于 所述光陽極采用金屬鈦作為陽極，或金屬鈦板作為基體，將過渡金屬與(或)其氧化物作為負(fù)載涂層的鈦陽極； 所述光陰極采用電沉積法制備的Ni-Mo合金材料，所述合金材料為NiaMoe合金,0< a < 1,0 < β < 1，且兩者之和為I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光催化水分解的裝置，其特征在于，所述光陽極為鈦陽極、鉭銥鈦陽極、釕銥鈦陽極或者釕銥錫鈦陽極。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光催化水分解的裝置，其特征在于，所述光陰極采用電沉積法制備配置含Ni，Mo金屬離子的溶液，以惰性金屬為陽極，選取合適金屬材料作為基體并作為陰極，加直流電壓進(jìn)行電沉積反應(yīng)以得到沉積有Ni-Mo合金前驅(qū)體的材料，然后將其浸泡在堿性環(huán)境中進(jìn)行活化。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的光催化水分解的裝置在光催化水分解中的應(yīng)用，其特征在于，分解水使用的是電解質(zhì)的水溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用，其特征在于，所述電解質(zhì)的水溶液為50g/L的硼酸鉀水溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光催化水分解的裝置及應(yīng)用，光接收部分為符合國際標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池，光陰極為采用電沉積法制備的Ni-Mo合金材料，光陽極為金屬鈦陽極，釕銥鈦陽極，鉭銥鈦陽極或鉭釕銥鈦陽極。本發(fā)明利用優(yōu)異的光陰極與光陽極的催化性能，大大降低了分解水的過電位，得到了一種新穎的高活性、高穩(wěn)定性的光催化完全水分解系統(tǒng)，能在可見光或自然光下產(chǎn)生純凈的氫氣和氧氣，使太陽能高效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。
文檔編號C01B13/02GK102616739SQ20121009947
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者李永丹, 李陽 申請人:天津大學(xué)