[发明专利]一种Ta3N5光阳极及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电极的制备方法，特别是一种Ta₃N₅光阳极制备方法，该光阳极能显著提高太阳能分解水制氢效率的。

背景技术

能源危机是人类在现今和未来面临的巨大挑战之一。目前，化石能源是人类赖以生存的主要能源，但化石能源的储量有限，价格也一路攀升。另外，化石能源的大量使用，会排放出CO₂、硫化物等污染物，破坏环境，危害人类健康。用可再生能源替代化石能源是解决能源、环境危机的有效途径。太阳每秒钟照射到地球上的能量高达173000太瓦，相当于500万吨标准煤所蕴藏的能量。因此，太阳能是当前最受瞩目的新能源。目前，人工太阳能转换主要靠光伏器件将太阳能转化成电能，但如果在晚上或阴天，就无法使用。光电化学电池能利用半导体与电解液的直接接触来达到太阳能转化和存储的目的，它利用太阳光分解水制氢气，直接把太阳能转化成化学能储存起来，是一种集光的转化和存储于一体的廉价的具有巨大潜在应用价值的方法。但目前还有很多问题有待解决，其中水分解的理论最低电压为1.23V，如果考虑析氢析氧过电位、接触电阻等损失，单一半导体分解纯水的最小带隙要达到2.0eV，远远宽于太阳能电池的理论最优带隙1.4eV，如果再考虑光反射损失、量子效率损失、以及电荷收集损失等因素，单一材料的最高太阳能分解水转换效率理论最大值只有约10%。而如果采用p-n型双光子系统，则理论最高效率可达27%，考虑各种损失后依然有16%的效率。因此，双光子系统有利于获得更高的效率。在双光子系统中，n型光阳极和p型光阴极通过欧姆接触串联在一起，因此，双光子系统中光电流的大小取决于光电流较小的电极。目前，有很多p型光阴极，如p-Si,p-InP等，都可以获得很高的光电流，15～37mA/cm²。但是，和这些p型光阴极相比，n型光阳极材料的光电流则都很低，在标准太阳光AM1.5G（100mW/cm²）的照射下，目前报道的WO₃、BiVO₄、Fe₂O₃等材料在1.23V下的光电流都小于4mA/cm²，这也是双光子系统分解水制氢的瓶颈。因此，光电化学分解水制氢的关键是找到高效的n型光阳极材料。

Ta₃N₅的带隙为2.1eV，能够很好的利用可见光，并且其导价带位置合适，理论上可不加偏压分解水，是很有潜力的n型阳极材料。但目前来说，即使是繁琐的制备方法（Al₂O₃模板法）得到的Ta₃N₅光阳极，其在一个太阳的照射下，在1.23V处的光电流也小于4mA/cm²。之前已经有人报道了Ta片先氧化再氮化制备Ta₃N₅光阳极，然而这种方法制备的Ta₃N₅的量子转化效率非常低，约1.3％（在450nm波长下）。

发明内容

本发明目的是提供一种Ta₃N₅光阳极制备方法，制备的Ta₃N₅光阳极能显著提高太阳能分解水制氢的效率。

本发明采用以下技术方案：

一种Ta₃N₅光阳极制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

将清洗过的Ta片放入炉一中，空气气氛下，在氧化温度为550～700℃加热5～300分钟，得到Ta₂O₅/Ta；把得到的Ta₂O₅/Ta放入炉二中，氨气气氛下，在氮化温度为700~950℃加热1~20小时，得到Ta₃N₅/Ta；当氧化温度为590℃～700℃时，氮化后Ta₃N₅/Ta表面钝化层会自动热剥离，当氧化温度＜590℃时，氮化后机械剥离Ta₃N₅/Ta表面钝化层；制备得到表面剥离钝化层的Ta₃N₅光阳极。

进一步地，所述Ta₃N₅光阳极的表面担载助催化剂。