[发明专利]结合原电池和光电化学电池的光电化学制氢装置

说明书

技术领域

本发明属于太阳能制氢技术领域，具体涉及一种结合原电池和光电化学电池的光电化学制氢装置。

背景技术

自从1968年Boddy证实了TiO₂半导体电极可以产生氧气，1972年Honda和Fujishima证实了TiO₂半导体电极在光照下可以产生氢气之后，太阳能制氢技术被认为是一种最佳的能源转换技术。这主要得益于：（1）氢能可以方便地转换为热能或者电能，同时不会放出任何污染物；（2）氢能可以由水裂解而制备，而且氢能利用之后的产物为水，属于清洁可再生能源；（3）结合了太阳能的光电化学制氢在解决能源问题的同时也有益于环境问题的缓解。早期的光电化学制氢研究主要集中在二氧化钛（TiO₂）纳米结构光阳极的开发方面。TiO₂由于具有合适的能级结构和带隙宽度、高的光电活性以及耐光腐蚀、成本低廉、易于制备、具有良好的化学稳定性等优点而引起了广泛的研究兴趣。然而，TiO₂由于具有以下缺点而限制了其光电化学制氢效率的提高：（1）TiO₂属于宽带隙半导体材料（锐钛矿相：3.2eV，金红石相：3.0eV），对可见光几乎没有响应；（2）由于TiO₂材料低的电子迁移率导致光生电子空穴对复合损失严重，直接限制了制氢效率的提高。为了解决以上问题，人们发展了多种改进技术：（1）开发带隙较窄的替代材料，如α-Fe₂O₃、WO₃等；（2）通过TiO₂材料的掺杂以改变其带隙，包括金属（Fe、Sn等）和非金属（C,N等）掺杂；（3）用多种敏化剂对TiO₂材料进行敏化以拓宽其光谱响应范围，如染料敏化、半导体量子点（CdS、CdTe、CdSe等）敏化、贵金属纳米材料敏化等。虽然，在太阳能制氢装置在多方面取得了成果，然而通过合理的能带结构设计达到带隙匹配、能带布局合理以进一步提高光电化学制氢装置的效率仍然是一个挑战。

另一方面，目前的太阳能制氢装置的输出电压远低于水分子裂解的理论值（1.23V），因此通常需要加一个较大的偏压才能进行有效的光电化学制氢。而偏压的加入无疑降低了太阳能制氢的优势。因此寻找降低所需外加偏压甚至发展零偏压（自驱动）的光电化学制氢装置是目前研究的关键。

鉴于目前光电化学制氢装置阳极的缺陷和发展零偏压制氢装置的必要性，本发明提出了一种全新的结合原电池和光电化学电池的光电化学制氢装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种光谱响应宽（主要吸收可见光）、制氢效率高、无需外加偏压，和制备工艺简单廉价，环境友好的光电化学制氢装置统。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种结合原电池和光电化学电池的光电化学制氢装置，包括：阳极、对电极和电解液，所述的电解液设置在阳极和对电极之间；

所述的阳极和对电极之间用导线连接；

所述的阳极由导电基底和附着在导电基底上的能级匹配的半导体纳米薄膜组成。本装置中所述的阳极、所述电解液和所述对电极结合同时产生原电池效应和光电化学光伏效应，两者的叠加有利于提高光电化学制氢装置的性能。

进一步的技术方案是：所述的对电极为Pt片或Pt网或Pt丝。

进一步的技术方案是：所述的电解液为含有还原剂的水溶液。

进一步的技术方案是：所述的电解液为含有S^2-或I^-的KOH水溶液。

进一步的技术方案是：所述的半导体纳米薄膜为附着在导电基底上的CdS量子点敏化的SnO₂-TiO₂核壳结构薄膜。