專利名稱：一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光解水納米電極池的制備技術(shù)，特別涉及能夠利用太陽光中可見光波段和紫外波段光解水制氫的納米電解池。
背景技術(shù)：
自21世紀(jì)以來，能源的問題一直是人們關(guān)注的話題。化石類能源的減少和人類日益增長的能量消耗，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的能原.清潔，高效使得氫能源成為最為理想的二次能源而備受人們關(guān)注。水解制氫多有報(bào)道，但是水解制氫的成本也很高。利用太陽能水解制氫更是一個新興的焦點(diǎn)。但是如何才能有效利用太陽光光解水制氫呢？中國專利CN101143712A公開了一種利用太陽能分解制氫的納米電極，具體的說是利用二氧化鈦微球和其他半導(dǎo)體材料如氧化鋅構(gòu)建層狀納米電極。該發(fā)明利用紫外光可以激發(fā)二氧化鈦納米微球，引起電子的活化和躍遷從而實(shí)現(xiàn)光解水制氫的功能。由于發(fā)明僅能利用紫外光，所以應(yīng)用時不太方便；同時，從制備納米二氧化鈦到制備電極需要高溫?zé)Y(jié)，能量消耗大，而且步驟也比較繁瑣。中國專利CN1899689A公開了一種能相應(yīng)可見光的固溶體光催化劑的制備方法。發(fā)明的化學(xué)式為BixM2-xV208的化合物，M = Y、La、Ce、Pr等中的一種，先加乙醇將固體粉末混合均勻， 80°C干燥，800-1000°C固相反應(yīng)一個小時以上。本發(fā)明可以利用波長小于600nm的可見光和紫外光，具備了光催化活性，能在吸收光譜范圍內(nèi)有效降解污物和水解制氫，可是發(fā)明存在明顯的成本高，能源消耗大的缺點(diǎn)。中國專利CN1900366A中公開了一種用于光電化學(xué)反應(yīng)的離子膜光電解池結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無偏亞直接光解水。該發(fā)明的光解池結(jié)構(gòu)包括用全氟羧酸/磺酸復(fù)合離子膜將容器分為兩個室，一個室為“酸室”，一個為“堿室”，半導(dǎo)體材料固定在導(dǎo)電玻璃上作為陽極，另一端惰性電極放入酸室作為陰極，將酸堿短接后，從堿室攝入陽光，在陰極上產(chǎn)生氫氣。發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，但對容器的要求較高，對酸堿液的濃度要求較高，同時酸堿也具有較強(qiáng)的腐蝕性，對電極壽命有很大影響；而且以上電極只能利用太陽光中的紫外部分，效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對背景技術(shù)中存在的問題，提出了一種能高效利用太陽光且能量轉(zhuǎn)化率高，設(shè)備要求低，成本低，生產(chǎn)工藝簡單，能源消耗少的綠色環(huán)保的納米電解池的制備方法。 這種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于該電解池能夠利用太陽光中可見光波段和紫外波段光解水制氫，本發(fā)明制備的納米電解池是由納米氧化亞銅和納米二氧化鈦混合納米層制備的多層半導(dǎo)體復(fù)合光電極陽極，和惰性陰極以及電解液組成，具體包含以下步驟(1)將納米氧化亞銅和納米二氧化鈦混合后與經(jīng)過等離子處理或者酸、堿蝕處理后的半導(dǎo)體材料通過旋涂等方式組合，構(gòu)建層狀架構(gòu)，通過真空表面燒結(jié)制備層狀納米金屬電極；(2)選擇另一惰性電極作 為電解池陰極；(3)將電極置于電解液內(nèi)，短接陰陽兩極，引入太陽光照射納米電極陽極即可；步驟(1)中所述的納米氧化亞銅為油溶性納米氧化亞銅粉體，或者為油溶性納米氧化亞銅正己烷，正庚烷，環(huán)己烷，等5-18烷等至少其中一種非極性溶劑的分散液；步驟(1)中所用納米二氧化鈦為油溶性納米二氧化鈦粉體，或者為油溶性納米二氧化鈦正己烷，正庚烷，環(huán)己烷，等5-18烷等至少其中一種非極性溶劑分散液；所述的納米氧化亞銅，納米二氧化鈦，其特征在于其納米顆粒的粒徑均為 2-lOOnm，納米分散液質(zhì)量濃度均為10_90wt% ；步驟(1)中納米氧化亞銅和納米二氧化鈦的質(zhì)量比為1 9-9 1;步驟(1)中所用半導(dǎo)體電極為氟代二氧化錫，銦錫氧化物等；步驟(1)中所述的納米氧化亞銅和二氧化鈦混合后在半導(dǎo)體材料上的組合燒結(jié)溫度為40-200°C，燒結(jié)時間為0. 5-1. 5小時，燒結(jié)真空度要求為10pa-500pa ；步驟⑵中所用的納米混合層數(shù)為1-6層，納米電極納米層的單層厚度為1-4微米；步驟⑵中所述的惰性電極陰極為鉬，金，碳，鈦等電極或者是鉬，金等惰性金屬電鍍電極；步驟(3)中所述的電解液為氫氧化鉀，氯化鉀，硫酸鉀等，濃度為0. 1-1. 0mol/Lo有益效果1、本發(fā)明采用高技術(shù)含量的納米復(fù)合光解電極，可有有效利用太陽光，具有較高的光轉(zhuǎn)化率和光分解效率，提高制氫效率；2、本發(fā)明制備的納米復(fù)合層為憎水層，在電解液中可以保持良好的穩(wěn)定性和較長的壽命；3、本發(fā)明工藝簡單，節(jié)能減耗，符合綠色環(huán)保的要求，具有極大的推廣價(jià)值。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。附圖1本發(fā)明電極的基本層狀構(gòu)架示意圖。圖中1——為納米氧化亞銅和納米二氧化鈦混合層，2——為電極半導(dǎo)體材料。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。實(shí)施例1 將納米氧化亞銅粉0. 5g和納米二氧化鈦0. 5g混合后溶于5ml正己烷中形成濃漿，然后將漿料旋涂于l*2cm經(jīng)過酸蝕處理的氟代二氧化錫薄片上，調(diào)節(jié)旋涂速度，使涂層厚度為1-2微米之間，然后將該薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度為 10-50pa，同時升溫到100°C，從100°C開始計(jì)時，30min后取出，重復(fù)以上辦法，制備第二層納米涂層，即得電解陽極。以鉬電極為電解池陰極，以濃度為0. 2mol/L氯化鉀為電解液，將陰陽兩極置于電解池內(nèi)，短接兩極。在陽極引入太陽光。通過測量陰陽兩極的電壓和通過電流，以及陽光照射 積，光強(qiáng)測算最大光轉(zhuǎn)換效率為1. 5%。實(shí)施例2 將納米氧化亞銅粉0. 2g和納米二氧化鈦粉0. Sg混合后溶于IOml環(huán)己烷中形成濃漿，然后將漿料旋涂于l*2cm經(jīng)過等離子處理的氟代二氧化錫薄片上，調(diào)節(jié)旋涂速度，使涂層厚度為1-2微米之間，然后將該薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度為 10-50pa,同時升溫到90°C，從90°C開始計(jì)時，50min后取出，重復(fù)以上辦法，制備第二層納米涂層，即得電解陽極。以鉬電極為電解池陰極，以濃度為0. 5mol/L氯化鉀為電解液，將陰陽兩極置于電解池內(nèi)，短接兩極。在陽極引入太陽光。通過測量陰陽兩極的電壓和通過電流，以及陽光照射面積，光強(qiáng)測算最大光轉(zhuǎn)換效率為2. 2%。實(shí)施例3 將納米氧化亞銅粉0. Sg和納米二氧化鈦粉0. 2g混合后溶于IOml環(huán)己烷中形成濃漿，然后將漿料旋涂于l*2cm經(jīng)過等離子處理的氧化鋅薄片上，調(diào)節(jié)旋涂速度，使涂層厚度為1-2微米之間，然后將該薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度為 10-50pa，同時升溫到90°C，從90°C開始計(jì)時，50min后取出，重復(fù)以上辦法，制備第二層納米涂層，即得電解電極陽極。以鉬電極為電解池陰極，以濃度為0. 5mol/L氯化鉀為電解液，將陰陽兩極置于電解池內(nèi)，短接兩極。在陽極引入太陽光。通過測量陰陽兩極的電壓和通過電流，以及陽光照射面積，光強(qiáng)測算最大光轉(zhuǎn)換效率為2. 0%。實(shí)施例4 將濃度為60襯％納米氧化亞銅正庚烷分散液和60襯％納米二氧化鈦正庚烷分散液混合，其中含納米氧化亞銅0. 4g納米二氧化鈦0. 6g，攪拌混合后，旋涂于l*2cm 經(jīng)過等離子處理的氧化鋅薄片上，調(diào)節(jié)旋涂速度，使涂層厚度為1-2微米之間，然后將該薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度為10-50pa，同時升溫到90°C，從90°C開始計(jì)時， 50min后取出，重復(fù)以上辦法，制備第二層納米涂層，即得電解陽極。以鉬電極為電解池陰極，以濃度為0. 5mol/L氯化鉀為電解液，將陰陽兩極置于電解池內(nèi)，短接兩極。在陽極引入太陽光。通過測量陰陽兩極的電壓和通過電流，以及陽光照射面積，光強(qiáng)測算最大光轉(zhuǎn)換效率為2. 0%。實(shí)施例5 將0. 3g納米氧化亞銅粉和60wt %納米二氧化鈦正庚烷分散液混合，其中含納米二氧化鈦0. 7g，超聲攪拌混合后，旋涂于l*2cm經(jīng)過等離子處理的氧化鋅薄片上， 調(diào)節(jié)旋涂速度，使涂層厚度為1-2微米之間，然后將該薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度為10-50pa，同時升溫到100°C，從100°C開始計(jì)時，50min后取出，重復(fù)以上辦法，制備第二層納米涂層，即得電解陽極。以鉬電極為電解池陰極，以濃度為0. 5mol/L氯化鉀為電解液，將陰陽兩極置于電解池內(nèi)，短接兩極。在陽極引入太陽光。通過測量陰陽兩極的電壓和通過電流，以及陽光照射面積，光強(qiáng)測算最大光轉(zhuǎn)換效率為2. 0%。
權(quán)利要求
1.一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于該電解池能夠有效利用太陽光中可見光波段和紫外波段光解水制氫。本發(fā)明制備的納米電解池是由納米氧化亞銅和納米二氧化鈦混合納米層制備的多層半導(dǎo)體復(fù)合光電極陽極，和惰性陰極以及電解液組成，具體包含以下步驟(1)將納米氧化亞銅和納米二氧化鈦混合后與經(jīng)過等離子處理或者酸、堿蝕處理后的半導(dǎo)體材料通過旋涂等方式組合，構(gòu)建層狀架構(gòu)，通過真空表面燒結(jié)制備層狀納米金屬電極；(2)選擇另一惰性電極作為電解池陰極；(3)將電極置于電解液內(nèi)，短接陰陽兩極，引入太陽光照射納米電極陽極即可；
2.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于步驟(1)中所述的納米氧化亞銅為油溶性納米氧化亞銅粉體，或者為油溶性納米氧化亞銅正己烷，正庚烷，環(huán)己烷，等5-18烷等至少其中一種非極性溶劑的分散液；
3.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于步驟(1)中所用納米二氧化鈦為油溶性納米二氧化鈦粉體，或者為油溶性納米二氧化鈦正己烷，正庚烷，環(huán)己烷，等5-18烷等至少其中一種非極性溶劑分散液；
4.如權(quán)利要求項(xiàng)2、3所述的納米氧化亞銅，納米二氧化鈦，其特征在于其納米顆粒的粒徑均為2-lOOnm，納米分散液質(zhì)量濃度均為10_90wt% ；
5.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于步驟(1)中納米氧化亞銅和納米二氧化鈦的質(zhì)量比為1 9-9 1;
6.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于步驟(1)中所用半導(dǎo)體電極為氟代二氧化錫，銦錫氧化物等；
7.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于步驟(1)中所述的納米氧化亞銅和二氧化鈦混合后在半導(dǎo)體材料上的組合燒結(jié)溫度為40-200°C，燒結(jié)時間為0. 5-1. 5小時，燒結(jié)真空度要求為10pa-500pa ；
8.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池，其特征在于能利用可光分解制氫的納米電極的制備方法，其特征在于；步驟(2)中所用的納米混合層數(shù)為1-6層，納米電極納米層的單層厚度為1-4微米；
9.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的惰性電極陰極為鉬，金，碳，鈦等電極或者是鉬，金等惰性金屬電鍍電極；
10.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的一種能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法，其特征在于步驟(3)中所述的電解液為氫氧化鉀，氯化鉀，硫酸鉀等，濃度為 0. 1-1. Omol/LO
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于光解水的納米電解池的制備技術(shù)，特別涉及能高效利用太陽光光解水制氫的納米電解池及其制備方法。具體步驟為(1)將納米氧化亞銅和納米二氧化鈦混合后與其他半導(dǎo)體材料通過旋涂等方式組合，構(gòu)建層狀架構(gòu)，通過真空表面燒結(jié)制備層狀納米金屬電極；(2)選擇另一惰性電極作為電解池陰極；(3)將陰陽電極置于電解液內(nèi)，短接陰陽兩極，引入太陽光照射納米電極陽極即可。本發(fā)明采用混合組分的納米電極，可以最大化利用太陽能進(jìn)行光解水制氫，實(shí)現(xiàn)很高的光轉(zhuǎn)化效率和光解效率；同時本發(fā)明電解池制作工藝簡單，實(shí)施方便，具有很大的推廣價(jià)值。
文檔編號C25B9/00GK102168281SQ20101011504
公開日2011年8月31日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者余曉錦 申請人:上海圖和環(huán)保材料科技有限公司