[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

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统与其应用。该体系包括光阳极、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；本发明使用石墨烯不仅拓宽了衬底的选择范围，同时可以充当导电电极使用，降低了成本；石墨烯还能与纳米柱之间的形成肖特基势垒，有利于分离光生载流子，增强载流子输运性能，大幅度提高纳米柱的光电性能；同时石墨烯的透光性能够制备InGaN纳米柱集成光电极，能拓宽光谱吸收、提高水分解所需光电压，实现无偏压光电水分解产氢。

技术领域

本发明涉及InGaN纳米柱、光电极的集成、能源与催化领域，特别涉及一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统与应用。

背景技术

无偏压光电化学水分解制氢在解决全球能源危机和环境问题方面显示出巨大的潜力。InGaN纳米柱具有可调的带隙(0.65eV～3.4eV)，可通过改变铟的组分来调节光吸收，从而成为光电极的理想选择。此外，InGaN纳米柱具有适合水氧化还原反应的能带位置，较长电荷扩散距离，高表面积与体积比以及出色的理论太阳能转变氢能(STH)效率(～27％)，使得InGaN纳米柱非常利于光电化学全水分解。然而，InGaN纳米柱的体相和表面电荷快速复合以及缓慢的氧化反应动力学等问题，导致需要额外的偏压来促进电荷转移。因此开发基于InGaN纳米柱无偏压光电催化体系对于氢能源的制备具有重要的研究意义。

目前InGaN纳米柱主要是生长在不透明的Si衬底上，对于构建无偏压的光电催化体系具有一定的阻碍，主要体现在衬底的不透光，无法构成串联电极，从而无法实现宽光谱的吸收以及高的光电压的产生。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，首要目的在于提供一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统。本发明使用石墨烯不仅拓宽了衬底的选择范围，同时可以充当导电电极使用,大大降低了成本；石墨烯还能与纳米柱之间的形成肖特基势垒，有利于分离光生载流子，增强载流子输运性能，大幅度提高纳米柱的光电性能；同时石墨烯的透光性能够制备InGaN纳米柱集成光电极，能拓宽光谱吸收、提高水分解所需光电压，实现无偏压光电水分解产氢。

本发明再一目的在于提供上述纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统在太阳能产氢中的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

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，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。

以上基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统中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(聚甲基丙烯酸甲酯)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；