[发明专利]一种光阳极‑光伏电池耦合的双光照完全光驱动分解水制氢方法

说明书

1.技术领域

本发明涉及一种光阳极-光伏电池耦合的双光照完全光驱动分解水制氢方法。具体而言，包括半导体光阳极和Si电池光阴极耦合的两电极形式光驱动水分解体系的构建和相应的BiVO₄光阳极的制备和修饰方法、Si电池光阴极的修饰处理方法。

2.背景技术

能源和环境问题是人类社会生存和可持续发展面临的两大问题。利用太阳能制备清洁高燃烧值的氢能是一种潜在的、可解决这两个问题的理想途径。利用半导体吸收光能产生的光生空穴-电子，分别用于水的氧化、还原半反应而实现水的分解是太阳能-化学能转换的最常用和有效的途径。目前主要包括粉末悬浮体系的光催化分解水、光伏电池发电耦合电解水、光电催化分解水的技术。

粉末体系的光催化分解水技术经过几十年的发展目前能实现可见光下水分解的体系并不多，目前具有最高的可见光催化分解水的量子效率的两个体系包括Domen组报道的Rh-Cr₂O_3-x/GaN:ZnO催化剂400nm波长下量子效率5.2％和Pt/ZrO₂/TaON-Pt/WO₃Z-Schem体系420nm波长下量子效率6.3％(Nature，2006，440，295.和J.Am.Chem.Soc.2010，132，5858.)，据相应的太阳能利用效率均不足1％；

光伏电池发电耦合电解水技术的太阳能利用效率比较高，但是因为两个体系是独立的，且两者之间存在连接和匹配的问题，使得装置特别复杂(专利WO_2004050961_A1；专利WO_2006110613_R4A3；专利WO_2007142693_R4A3和专利WO2012093356-A2)。

光电催化技术巧妙地将光能的吸收利用和电解水过程结合在一个电解池中，其氧化还原两个半反应空间上分离，基本没有逆反应，产生的氢气和氧气便于分离，是目前太阳能分解水技术的重要和热点研究方向。

光电催化分解水利用吸光的半导体材料作为光阳极(或光阴极)，光生电子和空穴在外加偏压辅助下分离和传输，空穴在阳极氧化水放出氧气，电子在阴极用于质子的还原反应。为了最大程度地利用太阳光，要求选用的半导体材料最好具有良好的可见光吸收。研究的比较多的可见光光阳极材料有Ta₃N₅、TaON、LaTiO₂N、Fe₂O₃和BiVO₄等。在AMl.5G100mW/cm²光源照射1.23V vs.RHE电位下，目前报道的光响应比较高的包括：Ta₃N₅光阳极3.8mA/cm²，对应440nm波长下的IPCE为41.3％(Advanced Materials，2013，25(1)，125-131.)；LaTiO₂N光阳极约3mA/cm²(Chem.Sci.，2013，4，1120-1124.)；BiVO₄光阳极2.38mA/cm²，相应的420nm处的IPCE约40％(ChemSusChem，2012，5，1926-1934.)；Fe₂O₃光阳极2.2mA/cm²，420nm处的IPCE约34％(J.Am.Chem.Soc.，2006，128，15714-15721.)。虽然Ta₃N₅、LaTiO₂N这类材料热力学上满足水的氧化和还原两个半反应的条件，但目前的研究中仅利用光阳极和Pt对电极构成的两电极体系实现完全分解水均需要一定的外加偏压。外加偏压的加入能显著地促进载流子的分离提高光电流，但是同时也消耗了电能，所以造成光电催化分解水体系的太阳能利用效率比较低，目前文献报道的最高的太阳能利用效率不足2％。构建无需外加偏压的完全光驱动的光电催化分解水体系对提高太阳能的有效利用具有十分重要的意义。