[发明专利]一种提高窄禁带半导体光阳极光电催化放氧反应稳定性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能分解水产氢领域，具体涉及通过在窄禁带半导体光阳极表面修饰空穴储存层，抑制在半导体光阳极表面发生的光致自氧化腐蚀反应引起的性能衰减，促使光阳极光电催化放氧反应的稳定进行，实现太阳能水分解制氢。

背景技术

人类文明的高速发展在带给人们丰富的物质和精神生活的同时，随之引起的能源迅速消耗也为人类的可持续发展提出了巨大的挑战。随着煤、石油、天然气等矿物能源的大量使用，世界能源的日趋枯竭已不容忽视。面对严峻的形势，人们迫切期望寻找新的可再生能源；太阳能是无污染的洁净能源，一定程度上讲，太阳能是取之不竭的理想能源；只利用辐射到地球表面的部分太阳能就可以满足我们目前的能源消耗。太阳能分解水制氢是完成太阳能光化学转化和储存的最佳途径之一，因为氢能不仅热值高，而且是无污染的绿色能源，水是其唯一的燃烧产物。

一般地，窄带隙半导体材料在理论上具有较高的太阳能-氢能转化效率。在太阳能制氢方面，蕴藏着广阔的发展前景。可惜的是，这类材料在水氧化产氧过程中往往非常不稳定，从而制约了其在太阳能分解水制氢领域的实际应用。以较为典型的氮化钽(Ta₃N₅)光阳极为例，

(1)Li，Y等人报道IrO₂修饰的Ta₃N₅光阳极，在太阳能模拟器(光强为100mW·cm^-2)的光照下，可以在水氧化电位(1.23V vs.RHE)产生3.8mA/cm²的光电流密度。但是经过约20min的光照下恒电位测试后，只保留了～20％的初始值(Li，Y.；Takata，T.；Cha，D.；Takanabe，K.；Minegishi，T.；Kubota，J.；Domen，K.Advanced Materials，2013，25，125.)。

(2)Zhen，C等报道Co(OH)_x修饰的Ta₃N₅光阳极，在太阳能模拟器(光强为100mW·cm^-2)的光照下，可以在水氧化电位(1.23V vs.RHE)产生2.8mA/cm²的光电流密度并对其稳定性测试了10min(Zhen，C.；Wang，L.；Liu，G.；Lu，G. Q.；Cheng，H.-M.Chemical Communications，2013，49，3019.)。

(3)Liao，M等人报道了Co₃O₄修饰的Ta₃N₅光阳极，以氙灯为光源，在水氧化电位(1.23V vs.RHE)产生了约1.2mA/cm²的光电流密度。经过2h测试，保留了75％的初始电流值(Liao，M.；Feng，J.；Luo，W.；Wang，Z.；Zhang，J.；Li，Z.；Yu，T.；Zou，Z.Advanced Functional Materials，2012，22，3066.)。

(4)Hou，J.等报道了由Co₃O₄/Co(OH)₂共修饰的Ta₃N₅光阳极，在太阳能模拟器(光强为100mW·cm^-2)的光照下，可以在水氧化电位(1.23V vs.RHE)产生～2.78mA/cm²的光电流密度。经过2h测试，保留了92％的初始电流值，是目前报道最稳定的结果(Hou，J.；Yang，C.；Wang，Z.；Jiao，S.；Zhu，H.Energy&Environmental Science，2013，6，3322.)。