可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系的制作方法
【專利摘要】一種可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系，包括可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜光陽極、可見光響應(yīng)的鉑修飾硅電池片光陰極、電解質(zhì)、可見光光源、石英反應(yīng)池和石英集氣管，光陽極和光陰極的材料均有良好的可見光吸收性能，其同時(shí)插入0.1～0.5M?Na2S的電解質(zhì)溶液中，并通過外部電路聯(lián)通，開啟可見光光源分別照射光陽極和光陰極，光陽極和光陰極分別發(fā)生電極反應(yīng)并通過外電路形成回路，實(shí)現(xiàn)自偏壓光電催化產(chǎn)氫與發(fā)電。本發(fā)明還公開了所述體系的制備方法。本發(fā)明能夠應(yīng)用于太陽能制氫并同時(shí)發(fā)電，具有可見光響應(yīng)、產(chǎn)氫和發(fā)電效率優(yōu)良、穩(wěn)定性好和成本低的優(yōu)點(diǎn)，對太陽能制氫和發(fā)電技術(shù)的開發(fā)具有重要意義。
【專利說明】可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能利用系統(tǒng)，具體涉及一種可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系，屬于新能源【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]由于世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人類對能源的需求日益增大。然而，以化石能源為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)，正面臨這種不可再生能源即將枯竭的事實(shí)。以光電催化為基礎(chǔ)的太陽能制氫，是一種具有前景的新技術(shù)。光電催化分解水制氫系統(tǒng)，以雙電極為基礎(chǔ)，通過將光電極的光生電子或光生空穴通過外電路引到對電極，促進(jìn)光生電荷的分離，而實(shí)現(xiàn)光電催化分解水制氫。但是現(xiàn)有的光電催化分解水產(chǎn)氫體系，均為單獨(dú)的光電極接受光照射，且需要提供外加的偏電壓，即提供額外的能量，因而限制了光的吸收及其分解水制氫的應(yīng)用；此外研制可見光響應(yīng)的、高效的光電極材料也一直是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
[0003]2008年，Heli Wang等提出了采用η型光陽極、ρ_型GaInP2作為光陰極的光電催化分解水制氫體系(J.Electrochem.Soc.2008, 155，F(xiàn)91)，構(gòu)建了雙光電極光電催化分解水制氫體系，其與單光電極體系相比，可以提高體系對于太陽光的利用。但是所報(bào)道的光電催化分解水制氫體系，在AMl.5條件下，在無外加偏電壓的情況下，產(chǎn)氫性能很弱，這是由于該體系所采用電極η型光陽極的導(dǎo)帶位置要比P-GaInP2的價(jià)帶位置更正，在光照條件下，光陽極的費(fèi)米能級要比光陰極的費(fèi)米能級更正，因而難以實(shí)現(xiàn)在無外加偏電壓的情況下，光陽極的光生電子自發(fā)進(jìn)入光陰極而實(shí)現(xiàn)自發(fā)分解水產(chǎn)氫的過程。2012年，Chen等報(bào)道了使用η型WO3電極作為光陽極，P-型鉬修飾硅電池片電極作為陰極的光電催化分解水制氫體系(ChemSusChem201 3，6，1276)，由于該體系η型WO3電極光陽極的導(dǎo)帶位置要比P-型鉬修飾硅電池片電極的價(jià)帶位置低，因而實(shí)現(xiàn)了可見光條件下自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫。然而由于受η型WO3電極材料費(fèi)米能級的制約，η型電極與P-型電極間的自偏電壓仍然較小，且WO3電極材料還存在著明顯的光生載流子復(fù)合，這些問題導(dǎo)致其體系的光催化分解水產(chǎn)氫的性能低下，在AMl.5條件下，其產(chǎn)氫性能只有0.204 μ mo I t^cnT2，另外使用WO3電極只能吸收波長小于420nm的近紫外光，限制了其對可見太陽光的充分利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可見光響應(yīng)的、具有高效自偏壓的光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系，以實(shí)現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闅淠芎碗娔艿哪康摹?br> [0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]—種可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系，包括光陽極、光陰極、電解質(zhì)、可見光光源、石英反應(yīng)池和石英集氣管，其特征在于，所述的光陽極為可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極，所述的光陰極為可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極，所述的電解質(zhì)為0.1~0.5M的Na2S溶液；將所述的光陽極與光陰極同時(shí)插入所述的石英反應(yīng)池中的所述的電解質(zhì)中，并且通過外電路聯(lián)通；開啟所述可見光光源分別照射所述的光陽極和光陰極，此時(shí)所述的光陽極和光陰極分別發(fā)生電極反應(yīng)并通過外電路形成回路，從而實(shí)現(xiàn)自偏壓光電催化產(chǎn)氫與發(fā)電。
[0007]進(jìn)一步地，所述的可見光光源為模擬太陽光，光強(qiáng)為IOOmW cm_2。
[0008]本發(fā)明的另一技術(shù)方案為:
[0009]—種上述可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系的制備方法，其具體步驟包括:
[0010]I)制備所述的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極，其方法是:首先將洗凈的金屬鈦板作為陽極，置于含0.5%氫氟酸的水溶液中，以鉬電極為對電極，調(diào)節(jié)電壓為20V，對金屬鈦板進(jìn)行陽極氧化60分鐘，得到由金屬鈦和鈦表面的TiO2構(gòu)成的鈦基TiO2納米管陣列材料，然后該鈦基TiO2納米管陣列材料經(jīng)500°C高溫?zé)Y(jié)I小時(shí)后，得到具有銳鈦礦相的TiO2納米管陣列薄膜材料；以該具有銳鈦礦相的TiO2納米管陣列薄膜材料作為基底，通過旋轉(zhuǎn)涂布的方式，交替向該基底滴加0.51111501111的扮(勵(lì)3)3和IOOmM的Na2S溶液，其中，所述的Bi (NO3) 3溶液采用IM的醋酸溶液作為溶劑，每次滴加完畢后在3000rpm轉(zhuǎn)速下涂布20s，交替重復(fù)30次，得到Bi2S3敏化的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料，將該Bi2S3敏化的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料經(jīng)300°C高溫?zé)Y(jié)I小時(shí)，得到所述的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極；
[0011]2)采用公知方法制備所述的可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極；
[0012]3)將步驟I)所制備的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極作為光陽極，將步驟2)所制備的可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極作為光陰極，分別插入所述的石英反應(yīng)池中的0.1?0.5M Na2S電解質(zhì)溶液中，所述光陽極和光陰極通過外部電路連通并由所述可見光光源照射且產(chǎn)生光生電荷。
[0013]本發(fā)明的又一技術(shù)方案為:
[0014]—種上述可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系在太陽能制氫并同時(shí)發(fā)電中的應(yīng)用。
[0015]本發(fā)明所述的可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系具有良好的穩(wěn)定性，光電效率高，產(chǎn)氫效率高，對太陽光中可見光部分均有響應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，取得了良好的技術(shù)效果，具體表現(xiàn)為:
[0016](I)本發(fā)明采用了具有良好可見光吸收性能的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極作為光陽極，能夠克服包括WO3在內(nèi)的現(xiàn)有光陽極只能吸收波長小于420nm的近紫外光的不足，從而實(shí)現(xiàn)自偏壓光電催化分解水體系對太陽光譜的充分利用。
[0017](2)本發(fā)明的光陽極材料為Bi2S3敏化的1102納米管陣列薄膜電極，由于其基底為TiO2納米管陣列材料，因而該電極材料具有良好的轉(zhuǎn)移電荷的性能，能克服WO3電極光生載流子復(fù)合率高的不足，實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效利用。
[0018](3)本發(fā)明采用的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極，其TiO2納米管陣列基底材料的導(dǎo)帶位置要比WO3電極的導(dǎo)帶位置負(fù)0.3V左右，因而能夠提高體系的自偏壓，從而進(jìn)一步促進(jìn)光生載流子的分離和轉(zhuǎn)移。
[0019](4)本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)涂布與離子交換沉積相結(jié)合的方法制備Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極，敏化層均勻地結(jié)合于TiO2納米管的管壁，具有良好的可見光響應(yīng)和光催化性能，機(jī)械穩(wěn)定性好和使用壽命長。[0020](5)所述的可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系與其他的光電催化體系相比，具有無需外加偏壓條件下實(shí)現(xiàn)顯著產(chǎn)氫的性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的對外發(fā)電性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理圖；
[0022]圖中，I為光陽極，2為光陰極，3為石英集氣管，4為氫氣。
[0023]圖2是本發(fā)明中幾種光電極的吸收光譜曲線；
[0024]圖中，A是鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料的吸收光譜曲線出為可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極的吸收光譜曲線；c是可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極的吸收光譜曲線。
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例在模擬太陽光AM1.5 (100mff/cm2)照射條件下，于0.25M Na2S電解質(zhì)溶液中產(chǎn)氫性能和產(chǎn)氫過程中的電流密度曲線；
[0026]圖中，D是電流密度隨時(shí)間變化的曲線；E是產(chǎn)氫量隨時(shí)間變化的曲線。
[0027]圖4是本發(fā)明在模擬太陽光AM1.5 (100mff/cm2)照射條件下，于0.25M Na2S電解質(zhì)溶液中的電池性能曲線；
[0028]圖中標(biāo)明了短路電流值、開路電壓值、光電轉(zhuǎn)化效率值和填充因子。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0030]先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明所述的可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系的結(jié)構(gòu)和工作原理圖。由圖可見，所述體系包括光陽極1、光陰極2、電解質(zhì)、可見光光源、石英反應(yīng)池和石英集氣管3。所述的光陽極I為可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極，所述的光陰極2為可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極，所述的光陽極I和光陰極2分別插入所述石英反應(yīng)池內(nèi)含有的電解質(zhì)中，該電解質(zhì)為0.1?0.5M的Na2S溶液，并通過外部電路連通；所述的光陽極I和光陰極2均為可見光響應(yīng)型半導(dǎo)體材料，能夠直接響應(yīng)可見光照射并產(chǎn)生光生電荷，開啟所述可見光光源分別照射所述的光陽極和光陰極，該可見光光源為模擬太陽光，光強(qiáng)為IOOmW cm_2，此時(shí)所述的光陽極和光陰極均會產(chǎn)生光生電子和空穴，所述的光陽極中的光生空穴將所述的電解質(zhì)中的S2_氧化，所述的光陰極的光生電子將所述電解質(zhì)中的H+還原為H2，而所述的光陽極和光陰極分別發(fā)生電極反應(yīng)并通過外電路形成回路，實(shí)現(xiàn)可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并對外發(fā)電的目的。
[0031]本發(fā)明所述的可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系的制備方法包括下列具體步驟:
[0032]I)制備所述的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極，其方法是:首先將洗凈的金屬鈦板作為陽極，置于含0.5%氫氟酸的水溶液中，以鉬電極為對電極，調(diào)節(jié)電壓為20V，對金屬鈦板進(jìn)行陽極氧化60分鐘，得到由金屬鈦和鈦表面的TiO2構(gòu)成的鈦基TiO2納米管陣列材料，然后該鈦基TiO2納米管陣列材料經(jīng)500°C高溫?zé)Y(jié)I小時(shí)后，得到具有銳鈦礦相的TiO2納米管陣列薄膜材料；以該具有銳鈦礦相的TiO2納米管陣列薄膜材料作為基底，通過旋轉(zhuǎn)涂布的方式，交替向該基底滴加0.51111501111的扮(勵(lì)3)3和IOOmM的Na2S溶液，其中，所述的Bi (NO3) 3溶液采用IM的醋酸溶液作為溶劑，每次滴加完后在3000rpm轉(zhuǎn)速下涂布20s，交替重復(fù)30次，得到Bi2S3敏化的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料，將該Bi2S3敏化的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料經(jīng)300°C高溫?zé)Y(jié)I小時(shí)，得到所述的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極；
[0033]2)采用公知方法制備所述的可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極；
[0034]3)將步驟I)所制備的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極作為光陽極1，將步驟2)所制備的可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極作為光陰極2，分別插入所述的石英反應(yīng)池中的0.1~0.5M的Na2S電解質(zhì)溶液中，所述光陽極I和光陰極2通過外部電路連通并由所述的可見光光源照射而產(chǎn)生光生電荷。
[0035]下面以實(shí)施例來具體說明本發(fā)明的內(nèi)容。
[0036]實(shí)施例1 [0037]首先將洗凈的金屬鈦板作為陽極，置于含0.5%氫氟酸的水溶液中，以鉬電極為對電極調(diào)節(jié)電壓為20V，對金屬鈦板進(jìn)行陽極氧化60分鐘，得到由金屬鈦和鈦表面的TiO2構(gòu)成的鈦基TiO2納米管陣列材料，然后所述的鈦基TiO2納米管陣列材料經(jīng)500°C高溫?zé)Y(jié)I小時(shí)后，得到具有銳鈦礦相的TiO2納米管陣列薄膜材料，以該具有銳鈦礦相的TiO2納米管陣列薄膜材料作為基底，通過旋轉(zhuǎn)涂布的方式，交替向該基底滴加0.5ml50mM的Bi (NO3) 3和IOOmM的Na2S溶液，其中所述的Bi (NO3) 3溶液采用IM的醋酸溶液作為溶劑，每次滴加完后在3000rpm轉(zhuǎn)速下涂布20s，交替重復(fù)30次，得到Bi2S3敏化的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料，將該Bi2S3敏化的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料經(jīng)300°C高溫?zé)Y(jié)I小時(shí)，得到所述的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極。附圖2中曲線A和曲線B給出了所制備的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料和可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極的紫外-可見吸收光譜，從中可以得出，所制備的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極對波長小于900nm的光均有吸收，也就是說，該電極材料能夠吸收太陽光中的所有的可見光。
[0038]將清洗干凈的商業(yè)化的硅電池片的背場焊接銅導(dǎo)線，然后將該硅電池片的背場用絕緣的環(huán)氧樹脂密封，密封后，以該硅電池片為工作電極，置于含IOmM K2PtClf^P 0.1M硫酸鈉的IM硫酸溶液中，以鉬電極為對電極，控制工作電壓為-0.5V，電沉積時(shí)間為30min，進(jìn)行硅電池片的鉬修飾，將鉬修飾后的硅電池片用蒸餾水反復(fù)浸泡去除表面殘留物，然后晾干，即得到可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極。附圖2中曲線C給出了所述可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極的紫外-可見吸收光譜，其表明該電極對400nm以上的可見光均有吸收。
[0039]將制得的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極作為光陽極1，將制得的可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極作為光陰極2，分別插入含有0.25M Na2S電解質(zhì)溶液中，所述的光陽極I和光陰極2通過外部導(dǎo)線連接。開啟模擬太陽光源(光強(qiáng)為IOOmWcm-2)照射光陽極I與光陰極2，此時(shí)光陰極2產(chǎn)生的光生電子將電解質(zhì)中的H+還原為H2,電解質(zhì)中的#_在光陽極I上被光生空穴所氧化，光陽極I產(chǎn)生的光生電子通過外部電路傳遞至光陰極2并與其光生空穴結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光催化產(chǎn)氫和發(fā)電。附圖3給出了在此條件下的產(chǎn)氫性能和產(chǎn)氫過程中的電流密度曲線，圖中曲線E表明本實(shí)施例的氫氣產(chǎn)生速率為45.5 μ IIioltr1Cnr2,曲線D表明外電路中電流值為1.5mAcm_2，且在產(chǎn)氫過程中所述的電流值沒有明顯的減小和波動(dòng)。附圖4給出了此條件下本實(shí)施例的電池性能曲線，圖中表明本實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)化效率為0.718%，開路電壓為0.766V，短路電流為1.55mAcm_2，填充因子為
0.602。這些結(jié)果表明，本發(fā)明所述體系在可見光下具有良好的產(chǎn)氫及發(fā)電性能，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。
[0040]以下以2個(gè)對照例來說明實(shí)施例1的效果。
[0041]對照例I
[0042]作為對照，在實(shí)施例1其它條件不變的情況下，將實(shí)施例1中所制備的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極作為光陽極，以鉬片作為對電極，用實(shí)施例1中所述的光源照射本對照例I中的光陽極，測量得到其產(chǎn)氫速率為0.32 μ mo I IT1CnT2，僅為實(shí)施例1的1/142 ;光電轉(zhuǎn)化效率為0.00316%，僅為實(shí)施例1的1/227 ;開路電壓僅為0.173V ;短路電流僅為0.079mAcnT2,;填充因子僅為0.231。
[0043]對照例2
[0044]作為對照，在實(shí)施例1其它條件不變的情況下，將實(shí)施例1中所制備的鉬修飾硅電池片電極作為光陰極，以鉬片作為對電極，用實(shí)施例1中所述的光源照射本對照例2中的光陰極，測量得到其產(chǎn)氫速率為16.1ymol 2，僅約為實(shí)施例1的1/3 ;光電轉(zhuǎn)化效率為
0.0485%，僅為實(shí)施例1的1/15 ;開路電壓僅為0.602V ;短路電流僅為0.759mAcm_2，；填充因子僅為0.106。 [0045]實(shí)施例2
[0046]以可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極作為光陽極1，可見光響應(yīng)的鉬修飾娃電池片電極作為光陰極2,分別插入含有0.1M Na2S電解質(zhì)溶液中，并通過外部導(dǎo)線連接。開啟模擬太陽光源(光強(qiáng)為IOOmW cm-2)照射光陽極I與光陰極2，此時(shí)光陰極2產(chǎn)生的光生電子將電解質(zhì)中的H+還原為H2,電解質(zhì)中的S2-在光陽極I上被光生空穴所氧化，光陽極I產(chǎn)生的光生電子通過外部電路傳遞至光陰極2并與其光生空穴結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光催化產(chǎn)氫和發(fā)電。本實(shí)施例的氫氣產(chǎn)生速率為43.1 μ mo I h 1Cm 2,外電路中電流值通過電化學(xué)工作站測試得到的結(jié)果為1.42mAcm_2，且在產(chǎn)氫過程中所述的電流值沒有明顯的減小和波動(dòng)；本實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)化效率為0.673%，開路電壓為0.764V，短路電流為1.47mAcm_2，填充因子為0.601。這些結(jié)果表明，所述體系在可見光下具有良好的產(chǎn)氫及發(fā)電性能，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。
[0047]實(shí)施例3
[0048]以可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極作為光陽極1，可見光響應(yīng)的鉬修飾娃電池片電極作為光陰極2,分別插入含有0.5M Na2S電解質(zhì)溶液中，并通過外部導(dǎo)線連接。開啟模擬太陽光源(光強(qiáng)為IOOmW cm-2)照射光陽極I與光陰極2，此時(shí)光陰極2產(chǎn)生的光生電子將電解質(zhì)中的H+還原為H2,電解質(zhì)中的S2-在光陽極I上被光生空穴所氧化，光陽極I產(chǎn)生的光生電子通過外部電路傳遞至光陰極2并與其光生空穴結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光催化產(chǎn)氫和發(fā)電。本實(shí)施例的氫氣產(chǎn)生速率為46.7 μ mo I h 1Cm 2,外電路中電流值通過電化學(xué)工作站測試得到的結(jié)果為1.54mACnT2，且在產(chǎn)氫過程中所述的電流值沒有明顯的減小和波動(dòng)；本實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)化效率為0.723%，開路電壓為0.768V，短路電流為1.57mAcm_2，填充因子為0.599。這些結(jié)果表明，所述體系在可見光下具有良好的產(chǎn)氫及發(fā)電性能，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。
[0049]本發(fā)明能夠應(yīng)用于太陽能制氫并同時(shí)發(fā)電，具有可見光響應(yīng)、產(chǎn)氫和發(fā)電效率優(yōu)良、穩(wěn)定性好和成本低的優(yōu)點(diǎn)，對太陽能制氫和發(fā)電技術(shù)的開發(fā)具有重要意義。
【權(quán)利要求】
1.一種可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系，包括光陽極、光陰極、電解質(zhì)、可見光光源、石英反應(yīng)池和石英集氣管，其特征在于，所述的光陽極為可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極，所述的光陰極為可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極，所述的電解質(zhì)為0.1?0.5M的Na2S溶液；將所述的光陽極與光陰極同時(shí)插入所述的石英反應(yīng)池中的所述的電解質(zhì)中，并且通過外電路聯(lián)通；開啟所述可見光光源分別照射所述的光陽極和光陰極，此時(shí)所述的光陽極和光陰極分別發(fā)生電極反應(yīng)并通過外電路形成回路，從而實(shí)現(xiàn)自偏壓光電催化產(chǎn)氫與發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系，其特征在于，所述的可見光光源為模擬太陽光，光強(qiáng)為IOOmW cnT2。
3.一種權(quán)利要求1所述的可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系的制備方法，其特征在于，所述制備方法的具體步驟包括: 1)制備所述的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極，其方法是:首先將洗凈的金屬鈦板作為陽極，置于含0.5%氫氟酸的水溶液中，以鉬電極為對電極，調(diào)節(jié)電壓為20V，對金屬鈦板進(jìn)行陽極氧化60分鐘，得到由金屬鈦和鈦表面的TiO2構(gòu)成的鈦基TiO2納米管陣列材料，然后該鈦基TiO2納米管陣列材料經(jīng)500°C高溫?zé)Y(jié)I小時(shí)后，得到具有銳鈦礦相的TiO2納米管陣列薄膜材料；以該具有銳鈦礦相的TiO2納米管陣列薄膜材料作為基底，通過旋轉(zhuǎn)涂布的方式，交替向該基底滴加0.5ml50mM的Bi (NO3)3和IOOmM的Na2S溶液，其中，所述的Bi (NO3) 3溶液采用IM的醋酸溶液作為溶劑，每次滴加完畢后在3000rpm轉(zhuǎn)速下涂布20s，交替重復(fù)30次，得到Bi2S3敏化的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料，將該Bi2S3敏化的鈦基TiO2納米管陣列薄膜材料經(jīng)300°C高溫?zé)Y(jié)I小時(shí)，得到所述的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極； 2)采用公知方法制備所述的可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極； 3)將步驟I)所制備的可見光響應(yīng)的Bi2S3敏化的TiO2納米管陣列薄膜電極作為光陽極，將步驟2)所制備的可見光響應(yīng)的鉬修飾硅電池片電極作為光陰極，分別插入所述的石英反應(yīng)池中的0.1?0.5M Na2S電解質(zhì)溶液中，所述光陽極和光陰極通過外部電路連通并由所述可見光光源照射且產(chǎn)生光生電荷。
4.一種權(quán)利要求1所述的可見光響應(yīng)的自偏壓光電催化分解水產(chǎn)氫并發(fā)電的體系在太陽能制氫并同時(shí)發(fā)電中的應(yīng)用。
【文檔編號】C25B1/02GK104009123SQ201410225850
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】周保學(xué), 曾慶意, 黃可, 李雪瑾, 魏冉 申請人:上海交通大學(xué)