一種光電化學(xué)電池的光電極的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種光電化學(xué)電極的制備方法，尤其涉及將一種納米材料催化劑負(fù)載到另一種納米材料復(fù)合制備光電化學(xué)電池光電極的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的日益提高，帶來的是能源的大量消耗和環(huán)境的嚴(yán)重惡化。其中能源危機(jī)問題越來越嚴(yán)重，世界各國為了解決這個(gè)問題都在大力發(fā)展新型可利用清潔能源。太陽能是迄今最大的清潔能源，太陽每秒向地球表面發(fā)射12000TW的能量，每年照射到地球上的太陽能是每年能消耗能源總量的10000倍。因此，有效的利用太陽能是解決當(dāng)今社會(huì)能源危機(jī)的最佳途徑。
[0003]在當(dāng)今，太陽能電池正在以每年35%的增長速度迅速發(fā)展著，在這樣喜人的情勢下，相信只要能夠利用好太陽能，在不久的將來能源問題會(huì)被成功解決。然而太陽能電池有一個(gè)很大問題就是它只在白天產(chǎn)生電力，因此，太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用仍需要一個(gè)有效的能量儲(chǔ)存方式，其中有效可行的方式之一就是以化學(xué)能載體儲(chǔ)存。氫氣就是未來能源載體的有利競爭者，氫氣可以由水分解產(chǎn)生，并且燃燒后的產(chǎn)物是水，不會(huì)產(chǎn)生任何污染。因此，利用太陽能分解水生產(chǎn)氫氣是將太陽能存儲(chǔ)的最佳方式之一。目前，通過利用半導(dǎo)體材料的光催化作用，將半導(dǎo)體制成光化學(xué)電池的光電極，為利用太陽光來分解水產(chǎn)生氫氣提供了新的途徑。
[0004]能夠有效的使光分解水生產(chǎn)氫氣的光電材料應(yīng)具備以下優(yōu)點(diǎn):1、強(qiáng)力有效的光吸收性;2、在有無光照時(shí)都能保持穩(wěn)定的化學(xué)性;3、合適的導(dǎo)帶價(jià)帶邊緣位置，有利于水的氧化還原；4、半導(dǎo)體中的有效載流子傳輸；5、氧化還原反應(yīng)中的整體電壓變換較低;6、低成本。但是現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料難以同時(shí)滿足上述全部優(yōu)點(diǎn)，因而在滿足部分優(yōu)點(diǎn)后改善剩下的方面對(duì)于提高光解水的效率顯得尤為重要。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，主要致力于提高光吸收和有效載流子傳輸?shù)难芯?，通常利用的手段?1、摻雜不同的粒子來改變半導(dǎo)體的帶隙；2、設(shè)計(jì)合適的納米結(jié)構(gòu)來縮短擴(kuò)散長度，從而降低電子空穴對(duì)的復(fù)合，如一維結(jié)構(gòu);3、在半導(dǎo)體表面引入合適的共催化劑來促進(jìn)電子(空穴)與電解液的反應(yīng);4、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)來抑制電子空穴對(duì)的復(fù)合，加速載流子的分離。當(dāng)然，除了以上提到的手段之外，還有許多其他的手段可以用來提高光分解水效率。
[0006]然而，不管通過何種手段，光電極的比表面積有限，陷光性較弱，限制了與電解液的接觸面積，因而光解水效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種制備過程簡單、能夠有效提高光分解水效率、通過將半導(dǎo)體材料復(fù)合共催化劑制備光電化學(xué)電池的光電極的方法。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種光電化學(xué)電池的光電極的制備方法，包括步驟:
[0009](I)合成二氧化鈦納米棒陣列；
[0010](2)制備以鎳鈷氫氧化物為共催化劑的溶液；
[0011](3)將所述步驟(2)中的溶液轉(zhuǎn)移到封端瓶中，將所述步驟(I)中的二氧化鈦納米棒面朝下傾斜放置于封端瓶中，然后將封端瓶置于80°C的水中，在該溫度下反應(yīng)2小時(shí)50分鐘，反應(yīng)結(jié)束后，取出二氧化鈦納米棒并用去離子水清洗干凈，然后在空氣中60°C烘干，得到二氧化鈦/鎳鈷氫氧化物復(fù)合電極樣品。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟(3)中的鎳鈷氫氧化物在二氧化鈦納米棒上的沉積量通過改變水浴反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。
[0013]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中通過以下步驟合成二氧化鈦納米棒陣列:
[0014](1.1)將導(dǎo)電基底分別在丙酮，酒精和去離子水中均超聲清洗20分鐘；
[0015](1.2)將ImL鈦酸四丁酯，0.269g無水檸檬酸加入30mL去離子水和30mL鹽酸的混合溶劑中持續(xù)攪拌至均勻混合；
[0016](1.3)使用移液槍量取1mL所述步驟(1.2)中的溶液轉(zhuǎn)移到體積為20mL的以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜中，將清洗好的導(dǎo)電基底的導(dǎo)電面朝下傾斜放置于高壓釜內(nèi)襯中，將高壓釜密封后置于烘箱中，20分鐘升溫到150°C，并在該溫度下保持6小時(shí)，待反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫，從高壓釜中取出樣品，并用去離子水和酒精進(jìn)行清洗，將清洗后的樣品在空氣中60 °C烘干2小時(shí)；
[0017](1.4)將烘干的樣品放入退火爐中在500°C下煅燒2小時(shí)，升溫速率為兩度每分鐘，自然降溫后得到二氧化鈦納米棒陣列樣品。
[0018]進(jìn)一步的，所述步驟(2)中將0.29Ig六水合硝酸鎳、0.582g六水合硝酸鈷、1.5g尿素加入50mL的去離子水中攪拌均勻，得到鎳鈷氫氧化物溶液。
[0019]進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電基底為氟摻雜氧化錫導(dǎo)電玻璃。
[0020]進(jìn)一步的，所述步驟(1.2)中鹽酸的質(zhì)量比為36-38%。
[0021]借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn):利用二氧化鈦納米棒陣列與鎳鈷氫氧化物納米薄片復(fù)合得到光電化學(xué)電極，形成的分支結(jié)構(gòu)可以有效的增大電極的比表面積，有利于增強(qiáng)陷光性，并與電解液充分接觸；同時(shí)共催化劑的引入可以有效的促進(jìn)空穴與電解液發(fā)生反應(yīng)。本發(fā)明制備的光電極相較于傳統(tǒng)的單一電極，大大提高了光分解水的效率，在1.8V的電壓下光電流提高到之前的3.2-14.2倍，因此本發(fā)明的方法是提高光分解水效率的切實(shí)可行的手段。
[0022]通過本發(fā)明的方法制備的半導(dǎo)體光電極能夠促進(jìn)空穴與電解液中反應(yīng)物反應(yīng)，有利于提高電子空穴對(duì)分離；同時(shí)由于陷光性的提高，也大大提高了對(duì)光的利用效率。與傳統(tǒng)單一半導(dǎo)體電極相比，本發(fā)明通過復(fù)合方法制備的光電極還克服了單一半導(dǎo)體電極載流子迀移率低等缺點(diǎn)，有效的提高了光解水效率，且本發(fā)明的方法制備過程比較簡單，原材料充足、價(jià)格低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)，具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
[0023]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明所制備的光電極材料結(jié)構(gòu)的SEM(掃描電子顯微鏡)圖；
[0025]圖2為本發(fā)明不同電極在不同電壓下的光分解水的特性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0027]本發(fā)明提供了一種光電化學(xué)電池的光電極的制備方法，該光電極是通過將半導(dǎo)體材料復(fù)合共催化劑的方法制備得到的。具體方法是先通過水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃上合成二氧化鈦納米棒陣列，經(jīng)過退火過程提高樣品的結(jié)晶度;然后通過水浴的方法在二氧化鈦納米棒上負(fù)載鎳鈷氫氧化物共催化劑;清洗烘干后得到需要的電極材料。在本發(fā)明中，將制備的電極材料制作成電極作為光電化學(xué)電池的工作電極，鉑電極作為對(duì)電極，電解液為IM的氫氧化鉀(KOH)水溶液，即可組裝成光電化學(xué)電池。
[0028]實(shí)施案例一:將FTO(氟摻雜氧化錫)導(dǎo)電玻璃按照丙酮，酒精和去離子水的順序各超聲清洗20分鐘；取ImL鈦酸四丁酯，0.269g無水梓檬酸加入30mL去離子水和30mL鹽酸(質(zhì)量比為36-38% )的混合溶劑中持續(xù)攪拌至均勻混合;使用移液槍量取1mL剛配制的溶液轉(zhuǎn)移到體積為20mL的以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜中，把清洗好的FTO導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電面朝下傾斜放置于高壓釜內(nèi)襯中，然后將高壓釜密封后置于烘箱中，20分鐘升溫到150°C，并在該溫度下保持6小時(shí)，待反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫后，從高壓釜中取出樣品，并