[发明专利]一种含有鞣酸作为光敏化剂的电解液和光电催化制氢系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解液和使用该电解液的光电催化制氢系统，具体地，涉及含有鞣酸作为光敏化剂的电解液和使用该电解液的光电催化制氢系统。

背景技术

一个最简单的光电催化制氢系统包含光阳极、阴极、电解液和直流电压输出装置。在光电催化制氢系统中，光阳极材料吸收太阳光谱中的特定部分的光子产生空穴-电子对，光生空穴一般具有很强的氧化能力，能够直接氧化电解液中的水分子生成氧气，而光生电子则具有很强的还原性，其通过外电路在阴极表面将电解液中的氢离子(H⁺)还原为氢气。

一般地，光电催化制氢的过程(无牺牲剂)在光阳极和阴极的反应分别是：

光阳极：

1.SC+h＝h⁺+e^- 产生空穴和光电子(这个过程可逆)

2.4h⁺+2H₂O＝O₂+4H⁺ 空穴直接氧化水分子

3.O₂+4H⁺+4e^-＝2H₂O+热量消耗光电子的副反应

SC：半导体催化剂(光阳极材料)h：光照h⁺：光生空穴e^-：光电子

阴极：

4.H⁺+e^-＝1/2H₂ 电解液中的氢离子被光电子还原成氢气

直流电源装置的引入大大降低了空穴和电子的复合率，提高了光电催化制氢系统的产氢速率。外加直流偏电压的施加能够将光电子迅速转移至阴极，从而有效抑制了反应1中光生空穴和电子的复合率以及反应3中消耗光电子的副反应。直流电源装置的引入只是确保已产生的光电子能够最大限度用来还原阴极附近的氢离子，而产生的光电子的数量则由光阳极材料的吸光性质以及半导体材料空穴消耗的速率共同决定。对于一种确定的光阳极材料，其对太阳光谱的吸收性质决定了光电子的初始数量的多少，对应的空穴则不具吸光性能，如果空穴不能得到有效消耗，则随后产生的光电子数量会大幅减少，因而影响了系统的产氢速率。光生空穴氧化水分子的过程非常缓慢，即空穴被消耗的速率非常缓慢，因此实际中的制氢系统的光利用效率非常低，甚至还不到1％。因此在光电催化制氢系统的电解液中添加一些相对水分子而言更容易被光生空穴氧化的化合物能够显著增加光生空穴的消耗速度，从而大幅提高系统的产氢速率和光利用效率。这些化合物既有有机物也有无机物，被统称为牺牲剂。对于任何一种确定光阳极材料，其吸光范围是确定的，牺牲剂只是用来消耗已产生的空穴，其无法改变光阳极材料的吸光范围。目前的光阳极材料的吸光范围大都集中在紫外光部分，只有少数几种材料的吸光范围可以达到蓝光部分，蓝光部分之外则无法利用。如果添加适当的对光敏感的化合物，使其以物理或化学吸附于光阳极材料表面。这些化合物吸收可见部分的光子后被激发产生自由电子，然后注入到半导体的导带上，在外加直流电压的作用下从光阳极的导带转移至阴极还原氢离子，这样不仅大大提高了光电催化制氢系统的光吸收范围，从而大大提高了产氢速率。

例如，中国专利申请200910058202.0中公开了一种具有可见光频谱范围的光敏化剂，8-羟基喹啉-5-磺酸铁(III)。这种物质易溶于水形成深绿色溶液，在偏碱性或酸性条件下具有很高的络合稳定性。在光电催化制氢系统中，在外加电场的作用下，该敏化剂容易在阴极获得光生电子被还原，因此不利于光电催化制氢系统的产氢效率。中国专利申请200810151310.8中公开了一种用于染料敏化太阳能电池的光敏化剂，三苯胺染料。三苯胺染料不溶于水，而光电催化制氢系统使用的电解液一般为水溶液，因此三苯胺染料很难在光电催化制氢领域得到应用。

因此，开发有利于提高了光电催化制氢系统的光吸收范围，从而大大提高了产氢速率的光敏剂是本领域中长期进行的有意义研究。

发明内容

本发明人经过深入研究，发现鞣酸(丹宁酸)是能够扩大光阳极材料对可见光的吸收，提高光电催化制氢系统的光转化效率的光敏化剂，相对常规的光敏化剂更适合添加至光电催化制氢系统的电解液中。为此，本发明提供下面的几个方面：

<1>.一种用于光电催化制氢系统的电解液，包含无机强酸以及任选的惰性支持电解质，所述电解液含有鞣酸作为光敏化剂。

<2>.根据<1>所述的电解液，所述鞣酸与电解液中的水的质量比为0.1％～5％。