[发明专利]一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统与应用

权利要求书

1.一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极制氢系统在无偏压光电化学制氢中的应用，其特征在于该系统包括：

光阳极、光阴极、电解液、光源、电解池；

所述的光阳极结构从下至上依次为衬底、衬底上的石墨烯、生长在石墨烯上的InGaN纳米柱，所述的光阴极结构从上至下依次为衬底、生长在衬底上的InGaN纳米柱，所述光阳极与光阴极通过导线连接，并置于电解池中的电解液，通过光源模拟太阳光照射光电极进行氢气的制备；

所述光阳极的制备包括以下步骤：

(1)衬底上的石墨烯的制备：采用湿法转移的方法在衬底上转移石墨烯膜，干燥后旋涂5％～10％PMMA溶液将石墨烯展平，干燥后洗去PMMA，得衬底/石墨烯；

(2)石墨烯上的InGaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(1)所得衬底/石墨烯的温度为900～980℃，衬底/石墨烯转速为5～10r/min，Ga束流等效压强为1×10^-7～2.5×10^-7Torr，In束流等效压强为2.0×10^-8～5×10^-8Torr，氮气流量为2～5sccm，等离子体源功率为200-400W，生长时间1～3h，在步骤(1)所得衬底/石墨烯上生长InGaN纳米柱；

(3)光阳极的制备：用In-Ga合金将导线与步骤(2)衬底/石墨烯中的石墨烯连接得到光阳极。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(1)所述衬底为单晶石英或蓝宝石；步骤(1)所述光阳极衬底上石墨烯为单层、双层或三层。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(2)所述光阳极衬底上InGaN纳米柱中In原子在金属原子所占的比例为5％～20％，纳米柱高度为100～600nm,直径为50～100nm，密度为100～300μm^-2。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(3)所述光阳极的制备采用单电极或双电极串联方式。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述光阴极制备包括以下步骤：

(1)衬底上InGaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制衬底温度为900～980℃，衬底转速为5～10r/min，Ga束流等效压强为1×10^-7～2.5×10^-7Torr，In束流等效压强为2.0×10^-7～5×10^-7Torr，氮气流量为2～5sccm，等离子体源功率为200-400W，生长时间1～3h，在步骤(1)中衬底上生长InGaN纳米柱；

(2)光阴极的制备：用In-Ga合金将导线与Si衬底背面连接。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(1)所述衬底为n型Si衬底；步骤(1)所述光阴极衬底上InGaN纳米柱中In原子在金属原子所占的比例为30％～40％，纳米柱高度为100～600nm,直径为50～100nm，密度为100～300μm^-2。

7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

所述的电解液pH为0～14；所述电解液为H₂SO₄，NaOH，Na₂SO₄电解液中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述的光源照射电极方式为平行光照射或者全照射。