[发明专利]一种利用太阳能分解水制氢纳米电极制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光解水纳米电极的制备技术，特别涉及一种利用太阳能分解水制氢纳米电极制备方法。

背景技术

随着化石类能源诸量的日益减少，寻求一种储备丰富的新型能源成为人们的迫切需要。氢能因为其高效和无污染等有时被认为是未来最理想的二次能源之一。作为制氢的一种高效、常见的方式——水的裂解却因为其需要额外的能量，限制了其发展。随着对太阳能资源的利用与开发，能否利用太阳能分解水制氢成为氢的制备领域中的一个研究热点。太阳能分解水制氢是吸热反应，在地球表面的太阳光子能量分布于紫外、可见或红外区，满足不了水制氢的能量要求，因而很难直接利用太阳能在紫外可见光区光解水制氢。幸运的是，纳米材料的光催化、光电化学池的研究使这一想法成为了现实。

利用纳米材料制作电极，探索利用太阳能直接分解水制氢可能性的研究始于1972年。由于当时光能转换效率差而未引起人们的关注。近年来，太阳能分解水制氢越来越引起了大们的关注，并取得了显著的进展。Michael Gratzel等利用高温气相裂解的方法，制备了硅掺杂三氧化二铁纳米电极，正四价的硅离子取代了赤铁矿晶格中的正三价铁离子，作为电子的有效给体一方面提高了材料的导电性，另一方面降低了空间电荷区的宽度，在1.23V电势强度下，光分解效率提高了50％。Parkd等利用二氧化钛(TiO₂)纳米管表面电沉积三氧化钨溶胶(WO₃)的方法，通过在二氧化钛纳米管材料表面引入一个界面层，使光诱导产生的电子一空穴激子在界面层有效地分离，结果光分解效率得到明显提高。在150mW/cm²光强照射下，最大光转换效率达到了0.87％。

目前提高太阳能分解水制氢效率的方法主要集中在以下几个方面：(1)控制材料自身的形貌。控制电极材料的形貌可以有效地提高与电解质的接触面积，从而获得高的分解效率；(2)离子掺杂。利用离子掺杂可以引入离子缺陷而成为载流子的捕获阱，延长其寿命。离子尺寸的不同，将使晶体结构发生一定的畸变，提高了光生电子-空穴分离效果；(3)半导体复合。不同能级半导体间光生载流子易于分离复合，催化活性提高，此外，复合半导体的晶型结构也使光催化活性得到提高；(4)染料敏化。利用光活性物质在可见光下有较大的激发因子的特性，只要活性物质激发态电势比半导体导带电势更负，就可能将光生电子输送到半导体材料的导带，从而扩大激发波长范围，增加光催化反应的效率；(5)贵金属沉积。常用的沉积贵金属主要是第VIII族的Pt、Ag、Ir、Au、Ru、Pd、Rh等。在催化剂的表面沉积适量的贵金属有利于光生电子和空穴的有效分离以及降低还原反应(质子的还原、溶解氧的还原)的超电压，从而大大提高催化剂的活性；(6)加入电子捕获剂。选用适当的电子捕获剂捕获电子，使电子和空穴的复合过程受到抑制，提高光催化效率。

总之，同其他制氢方式相比，半导体纳米材料做电极直接利用太阳能分解水制备氢能的方法具有所需原材料少，制备方法简单等优势。可以预言，一旦目前半导体电极在光转换效率和最大光电压有所突破的话，太阳能分解水制氢必将在新能源开发领域具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用太阳能分解水制氢纳米电极制备方法。所述太阳能分解水制氢纳米电极是利用TiO₂纳米微球制备的多层半导体复合光阳极。包括以下两个步骤；

1)合成TiO₂纳米微球

2)制备TiO₂多层复合电极；

所述TiO₂纳米微球的合成：

将1.4g钛盐加入到30ml去离子水中，然后按照表面修饰剂与钛盐的摩尔比1-2∶1加入表面修饰剂，在充分搅拌后，向上述溶液中依次加入30ml30wt％的过氧化物及2ml酸，然后把所得红褐色溶液转移到70ml聚四氟乙烯内胆的水热釜中，封紧釜盖在100-150℃的烘箱中反应12h。反应釜冷却到室温后，将得到的白色沉淀，经过滤，用蒸馏水反复洗涤，最后将反应产物装在瓷蒸锅中，直接在马弗炉中于300-400℃加热0.5-2小时，得到TiO₂纳米微球。

所述TiO₂多层复合电极制备