[发明专利]薄膜电极碱性光电解水催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于半导体电极技术领域，公开了一种薄膜电极碱性光电解水催化剂及其制备方法和应用，先在薄膜电极表面依次沉积Pt、Ni两种金属纳米层，然后通过焙烧和原位电化学氧化在薄膜电极表面制备出PtNi/Ni(OH)₂，得到薄膜电极表面附着有PtNi合金纳米层，并且PtNi合金纳米层表面附着有无定形Ni(OH)₂的目标催化剂，该催化剂可应用于光电化学池中光解水制氢，在碱性环境下光电解水制氢表现出极高的反应效率。本发明的催化剂在碱性溶液中具有高反应活性、高稳定性、低贵金属Pt用量，能够提高碱性光电解水制氢效率，同时其制备方法简单易行，可控性强，可实现大规模生产。

技术领域

本发明属于半导体电极技术领域，具体来说，是涉及一种碱性光电解水催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，氢能源被认为是替代传统燃料最具有前景的清洁能源。在众多的产氢体系中，利用太阳能驱动的光电解水因其无多余碳排放、太阳能-氢气转化效率高被认为是最有发展潜力的创新型制氢方式之一。氢能是一种绿色高效的清洁能源。基于太阳能的光催化水分解制氢是未来获得氢能的一种理想途径。目前光电解水发展的一个主要方向是能够在单池内实现高效率光电解水串联，目前多数电解水装置所需工作电压约为1.6–1.8V，而单个硅基光电极的开路电压难以满足全解水所需要的电压。目前较常用的办法是将多个光电极串联以提高其开路电压，满足光电解水的电压需求。

目前，光电极串联全解水的一个重要发展方向是单电解池解水，因为单电解池解水能够有效提高光电解水中光的利用效率，同时避免离子交换膜的使用，降低全解水系统的成本。考虑到光电阳极的产氧反应(OER)是全解水中的限速步骤，而碱性环境能够促进OER过程，同时有利于催化剂和光电阳极的稳定，因此最理想的单池全解水是在碱性溶液中进行。但是，碱性环境却抑制了光电阴极中产氢反应(HER)的发生，进而降低整个单池全解水的效率。而造成光电阴极在碱性条件下性能降低的主要原因来自于固液界面，其中表面助剂的活性最为关键，以Pt为例，相较于酸性条件下，在碱性溶液中Pt的反应速率能够下降2–3个数量级。由此设计一种在碱性溶液中具有高活性和稳定性的光阴极催化剂，降低Pt的用量，提升Pt原子的利用效率，具有十分巨大的实际意义。

发明内容

本发明要解决的是碱性光电解水催化剂反应活性低以及贵金属Pt用量高的技术问题，提供了一种薄膜电极碱性光电解水催化剂及其制备方法和应用，该催化剂在碱性溶液中具有高反应活性、高稳定性、低贵金属Pt用量，能够提高碱性光电解水制氢效率，同时该催化剂制备方法简单易行，可控性强，可实现大规模生产。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种薄膜电极碱性光电解水催化剂，先在薄膜电极表面依次沉积Pt、Ni两种金属纳米层，然后通过焙烧和原位电化学氧化在薄膜电极表面制备出PtNi/Ni(OH)₂，得到薄膜电极表面附着有PtNi合金纳米层，并且PtNi合金纳米层表面附着有无定形Ni(OH)₂的目标催化剂。

进一步地，所述薄膜电极为硅基薄膜电极。

根据本发明的另一个方面，提供了一种薄膜电极碱性光电解水催化剂的制备方法，该方法按照以下步骤进行：

(1)将薄膜电极作为基底，在其表面沉积金属Pt纳米层；

(2)在步骤(1)制备得到的样品表面沉积金属Ni纳米层；

(3)将步骤(2)制备得到的样品焙烧，进行合金化处理；

(4)将步骤(3)所得样品封装后进行原位电化学氧化处理，在PtNi合金表面原位生长无定形的Ni(OH)₂。

进一步地，步骤(1)和步骤(2)所沉积的所述金属Pt纳米层和所述金属Ni纳米层的厚度比为3:1-1:1。