一種電連接劑制備光催化分解水顆粒膜電極的方法
【專利摘要】本發(fā)明一種通過(guò)電連接劑制備光催化分解水顆粒膜電極的方法,1)室溫條件下,將金屬鹽、摻雜元素的化合物及有機(jī)溶劑配成前驅(qū)體;2)通多電泳沉積的方法制備光催化分解水顆粒膜電極;3)將2)得到的顆粒膜電極,在前驅(qū)體中多次浸漬、退火,使電極材料顆粒之間被電連接劑填充,起到電荷導(dǎo)線的作用;4)將所述3)處理過(guò)的顆粒膜電極進(jìn)行二次退火處理;金屬鹽為TiCl4、SnCl4;所述摻雜元素包括:Sb、F、Nb中的一種或幾種;有機(jī)溶劑包括甲醇和/或丙酮。
【專利說(shuō)明】
一種電連接劑制備光催化分解水顆粒膜電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光電功能納米材料技術(shù)領(lǐng)域及半導(dǎo)體光催化技術(shù)領(lǐng)域,具體而言,涉及一種新型導(dǎo)電氧化物電連接,及其在光催化分解水顆粒膜電極上的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展,物質(zhì)財(cái)富積累的越來(lái)越多,但隨之而來(lái)的便是能源的巨大需求。當(dāng)今世界,人類還是主要依賴石油和煤獲得能源,二者均是不可再生的,而且使用過(guò)程中會(huì)釋放出大量污染物質(zhì),極大的影響了大氣質(zhì)量及全球氣候,給人類的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。因此,開發(fā)清潔無(wú)污染的可再生能源以消除現(xiàn)代社會(huì)對(duì)化石能源的依賴是保持人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必有之路。
[0003]—般認(rèn)為,核能和太陽(yáng)能是獲得清潔能源的兩個(gè)首選項(xiàng),而世界各國(guó)政府和科學(xué)家從不同的領(lǐng)域進(jìn)行探索。太陽(yáng)能因其取之不盡用之不竭的特點(diǎn)獲得人們的廣泛青睞,每一小時(shí)太陽(yáng)照射到地球的能量足夠人類使用整整一年。隨著世界各國(guó)對(duì)碳減排的關(guān)注,太陽(yáng)能發(fā)電--光伏技術(shù)(photovoltaic,PV)作為一種比較成熟的獲得清潔能源的方法正受到越來(lái)越多的重視。然而,與其他發(fā)電技術(shù)相比,及時(shí)太陽(yáng)能電池以70 %的理論效率運(yùn)行,其現(xiàn)在的發(fā)電成本依然高昂,而且,光伏發(fā)電只能解決太陽(yáng)能利用中的捕獲(capture)問(wèn)題,太陽(yáng)能存儲(chǔ)(storge)的問(wèn)題并未解決。氫能具有清潔、無(wú)污染、能量密度大且氫燃燒的唯一產(chǎn)物是水的特點(diǎn),因此被認(rèn)為是一種最優(yōu)前景的能量載體。Fujishima和Honda在1972年利用紫外光激發(fā)Ti(h電極將水成功分解為氫氣與氧氣(Fujishima A., HondaK.Electrochemical photolysis of water at a semiconductore electrode.Nature,1972,238(5358),37.),該工作在光電化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)具有里程碑的意義,而利用光電化學(xué)水分解電池制氫也自此成為研究的熱點(diǎn)。
[0004]光電化學(xué)水分解電池由吸收太陽(yáng)光的半導(dǎo)體薄膜(光電極)、對(duì)電極和電解液組成,其性能主要取決于吸收太陽(yáng)光的半導(dǎo)體薄膜(光電極)。據(jù)美國(guó)能源部推算,要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能水分解制氫的大規(guī)模利用,光電化學(xué)水分解電池的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換氫能(STH)效率必須要高于10%(Bard A.J.,Fox M.A.Artificial photosynthesis: solar splitting of waterto hydrogen and oxygen.Accounts Chem.Res.,1995,28(3),141.),因此制約光催化分解水制氫能否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵步驟是制備高轉(zhuǎn)換效率的光電極。
[0005 ]目前,常見(jiàn)的制備光電極的方法包括:水熱法、APCVD、ALD、旋涂、電沉積、電泳沉積等。而電泳沉積方法制備的顆粒膜電極存在著顆粒與顆粒直接接觸不好,導(dǎo)電性差的問(wèn)題,為了解決這一問(wèn)題,需要在顆粒膜直接填充電連接劑改善其導(dǎo)電性,2005年Ryu Abe首次報(bào)道用Ti CU 處理 TaON以提高其光電性能(Ryu Abe ,TsuyoshiTakata ,Hideki Sugihara, andKazunariDomen.The Use of TiCUreatment to Enhance the Photocurrent in aTaONPhotoelectrode under Visible Light Irradiat1n.Chemistry Letters Vol.34,N0.8(2005)),然而TiCi4最終轉(zhuǎn)化成T12為白色,且存在與顆粒膜電極材料能帶不匹配,影響透射和光吸收的問(wèn)題,因此本發(fā)明旨在尋求一種新型的導(dǎo)電電連接劑,解決顆粒膜電極導(dǎo)電傳輸差的問(wèn)題,同時(shí)減小電連接劑對(duì)太陽(yáng)光的影響。將新型導(dǎo)電電連接劑處理后的顆粒膜電極在三電極體系中測(cè)試光電性能,得到良好的光催化性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明目的是,提供一種新型電連接劑及應(yīng)用,該電連接劑具有提高光催化分解水顆粒膜電極導(dǎo)電性,光電性能的作用,且提供一種新型電連接劑及其制備光催化分解水顆粒膜電極及其應(yīng)用。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種通過(guò)電連接劑制備光催化分解水顆粒膜電極的方法,包括:
[0008](I)室溫條件下,將金屬鹽、摻雜元素的化合物及有機(jī)溶劑配成前驅(qū)體;
[0009](2)通多電泳沉積的方法制備光催化分解水顆粒膜電極;
[0010](3)將(2)得到的顆粒膜電極,在前驅(qū)體中多次浸漬、退火,使電極材料顆粒之間被電連接劑填充,起到電荷導(dǎo)線的作用;
[0011](4)將所述(3)處理過(guò)的顆粒膜電極進(jìn)行二次退火處理;
[0012]所述步驟(I)中金屬鹽為TiCl4、SnCl4;所述摻雜元素包括:Sb、F、Nb中的一種或幾種;有機(jī)溶劑包括甲醇和/或丙酮;
[0013]所述步驟(2)中顆粒膜電極由電極材料加碘單質(zhì)分散在丙酮溶液中,電泳沉積制備。
[0014]所述步驟(3)中浸漬時(shí)間為3秒鐘到10秒鐘;退火時(shí)間為300 °C,2min,空氣中冷卻到室溫;次數(shù)為I到13次。
[0015]所述步驟(4)二次退火溫度為650°C,lh再加上750°C,5min,冷卻到室溫。
[0016]所述的金屬鹽11(:14、311(:14濃度為3011^,摻雜元素與11、311的摩爾比為1:10?1:100。
[0017]所述的電泳沉積電壓為1V一一 15V,沉積時(shí)間為30秒到5min。
[0018]室溫為20°C 至 30°C。
[0019]以上述方法制備的光催化分解水顆粒膜電極的應(yīng)用,電連接劑用于光催化分解水顆粒膜電極材料顆粒之間的連接,提高電極的光電性能。
[0020]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供的新型電連接劑,其是一種新型導(dǎo)電氧化物電連接劑,能夠提高電極的光電性能。將用電泳沉積方法制備的顆粒膜光電極,浸漬在電連接劑前驅(qū)體中,多次浸漬、退火,使電極材料顆粒間被電連接劑填充,起到電荷導(dǎo)線的作用。再對(duì)顆粒膜電極進(jìn)行二次退火處理,從而解決顆粒膜電極導(dǎo)電性差的問(wèn)題,進(jìn)而提高其光電性能,在三電極體系下測(cè)試光電性能時(shí),表現(xiàn)出良好的光電性能。本發(fā)明所公開的電連接劑在解決顆粒膜電極導(dǎo)電性差和光電性能不佳等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為電連接劑處理連接處理的顆粒膜電極結(jié)構(gòu)示意圖;
[0022]圖2為制備光催化分解水顆粒膜電極的電泳沉積裝置示意圖;
[0023]圖3為電連接劑摻雜元素優(yōu)化數(shù)據(jù)圖;
[0024]圖4為不同電連接處理后,光電極在三電極體系下的光電流數(shù)據(jù)圖;
[0025]圖5為不同電連接處理后,光電極的UV-vis透射光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面通過(guò)具體的實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。以下實(shí)例將有助于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)工作人員進(jìn)一步理解本發(fā)明,但不以任何形式限制本發(fā)明。同時(shí),這里指出對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),本發(fā)明中最優(yōu)的數(shù)據(jù)只針對(duì)本發(fā)明,在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,合理的若干調(diào)整和改進(jìn),都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]在實(shí)施例中,所述光催化分解水顆粒膜電極通過(guò)電泳沉積的方法制備。
[0028]在一些實(shí)施例中,所述顆粒膜顆粒膜電極浸漬在電連接劑前驅(qū)體中,每次3秒到10秒,300 °C退火2min,反復(fù)浸漬退火I到13次,進(jìn)一步優(yōu)選為9次。
[0029]在一些實(shí)施例中,優(yōu)選為,所述摻雜元素與Sn的摩爾比為1:10?1:100.
[0030]在一些實(shí)施例中,優(yōu)選為,所述的顆粒膜電極電極材料加碘單質(zhì)分散在丙酮溶液中,電極材料比碘單質(zhì)比丙酮的比例為40mg:1 Omg: 5Om I。
[0031]在一些實(shí)施例中,優(yōu)選為,所述的電泳沉積電壓為1V—一15V,沉積時(shí)間為30秒到5min0
[0032]在一些實(shí)施例中,具體地,所述常溫為20°C至30°C。更具體的實(shí)施例:
[0033]實(shí)施例1
[0034]取0.025mol純度為99%的SnCU,冰水浴環(huán)境下于250ml容量瓶中溶于丙酮和/或甲醇溶液中,震蕩搖勻,取出,待恢復(fù)到室溫條件下定容到250ml,得到濃度為0.lmol/L的SnCl4有機(jī)溶劑溶液。同樣的方法制備得到濃度為0.lmol/L摻雜元素Sb溶液,按照摻雜元素Sb與Sn的摩爾比為1:1O?1: 100的比例配置電連接劑前驅(qū)體,本發(fā)明中優(yōu)選為9 % (優(yōu)化含量數(shù)據(jù)圖如圖3所示),再將配置好的前軀體溶液稀釋為30mmol/L,密封待用。
[0035]稱取40mg電極材料,1mg碘單質(zhì),超聲分散在50ml丙酮溶液中,使用外加直流電源,外加偏壓為1V——15V,將電極材料電泳沉積在氟摻雜氧化錫(FT0)導(dǎo)電玻璃上(電泳沉積裝置示意圖如圖2所示),膜厚通過(guò)控制電壓和時(shí)間來(lái)控制,時(shí)間為30秒到5min。
[0036]取部分配好的電連接劑前驅(qū)體待用,將電極浸漬在前驅(qū)體溶液中3到10秒,充分浸入到顆粒間,晾干,然后放入事先升溫至300°C的馬弗爐中退火2min,使前驅(qū)體經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)和/或煅燒轉(zhuǎn)變成氧化物(結(jié)構(gòu)圖如圖1所示),待恢復(fù)到室溫后再次進(jìn)行上述處理,反復(fù)I到13次,本發(fā)明中優(yōu)選為9次。
[0037]將電連接處理后的電極放在馬弗爐中進(jìn)行二次退火處理,10°C/min的升溫速率,650°C保溫lh,冷卻至室溫,750°C,5min。室溫條件下使用三電極體系對(duì)電連接處理后的光電極材料進(jìn)行光電化學(xué)性能測(cè)試,電解液為lmol/L的NaOH溶液,電化學(xué)工作站為上海辰華CHI633C,光源為Newport solar simulators AMl.5。光電性能測(cè)試圖如圖4所示,具有良好的光電化學(xué)性能。
[0038]實(shí)施例2
[0039]取0.025mol純度為99%的TiCU,冰水浴環(huán)境下于250ml容量瓶中溶于丙酮和/或甲醇溶液中,震蕩搖勻,取出,待恢復(fù)到室溫條件下定容到250ml,得到濃度為0.lmol/L的TiCl4有機(jī)溶劑溶液。同樣的方法制備得到濃度為0.lmol/L摻雜元素Nb溶液,按照摻雜元素Nb與Ti的摩爾比為6:100的比例配置電連接劑前驅(qū)體,再將配置好的前軀體溶液稀釋為30mmol/L,密封待用。
[0040]稱取40mg電極材料,1mg碘單質(zhì),超聲分散在50ml丙酮溶液中,使用外加直流電源,外加偏壓為1V——15V,將電極材料電泳沉積在氟摻雜氧化錫(FTO)導(dǎo)電玻璃上(電泳沉積裝置示意圖如圖2所示),膜厚通過(guò)控制電壓和時(shí)間來(lái)控制,時(shí)間為30秒到5min。
[0041]取部分配好的電連接劑前驅(qū)體待用,將電極浸漬在前驅(qū)體溶液中3到10秒,充分浸入到顆粒間,晾干,然后放入事先升溫至300°C的馬弗爐中退火2min,使前驅(qū)體經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)和/或煅燒轉(zhuǎn)變成氧化物(結(jié)構(gòu)圖如圖1所示),待恢復(fù)到室溫后再次進(jìn)行上述處理,反復(fù)I到13次,本發(fā)明中優(yōu)選為9次。
[0042]將電連接處理后的電極放在馬弗爐中進(jìn)行二次退火處理,10°C/min的升溫速率,650°C保溫lh,冷卻至室溫,750°C,5min。室溫條件下使用三電極體系對(duì)電連接處理后的光電極材料進(jìn)行光電化學(xué)性能測(cè)試,電解液為lmol/L的NaOH溶液,電化學(xué)工作站為上海辰華CHI633C,光源為Newport solar simulators AMl.5。光電性能測(cè)試圖如圖4所示,具有良好的光電化學(xué)性能。
[0043]實(shí)施例3
[0044]稱取40mg電極材料,1mg碘單質(zhì),超聲分散在50ml丙酮溶液中,使用外加直流電源,外加偏壓為1V——15V,將電極材料電泳沉積在氟摻雜氧化錫(FT0)導(dǎo)電玻璃上(電泳沉積裝置示意圖如圖2所示),膜厚通過(guò)控制電壓和時(shí)間來(lái)控制,時(shí)間為30秒到5min。
[0045]用30mmol/L的TiCl4對(duì)上述電極做電連接處理,處理工藝同實(shí)施例1,作為對(duì)比,對(duì)TiCl4處理的光電極進(jìn)行光電化學(xué)性能測(cè)試,測(cè)試工藝同實(shí)施例1,測(cè)試結(jié)果如圖4。
[0046]實(shí)施例4
[0047]稱取40mg電極材料,1mg碘單質(zhì),超聲分散在50ml丙酮溶液中,使用外加直流電源,外加偏壓為1V——15V,將電極材料電泳沉積在氟摻雜氧化錫(FT0)導(dǎo)電玻璃上(電泳沉積裝置示意圖如圖2所示),膜厚通過(guò)控制電壓和時(shí)間來(lái)控制,時(shí)間為30秒到5min。
[0048]對(duì)電極不做任何電連接處理,僅作相同的熱工藝處理,處理工藝同實(shí)施例1和實(shí)施例2,對(duì)光電極進(jìn)行光電化學(xué)性能測(cè)試,測(cè)試工藝同實(shí)施例1和實(shí)施例2,測(cè)試結(jié)果如圖4。
[0049]對(duì)比實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3和實(shí)施例4,如圖4所示,從圖4中可以看到新型導(dǎo)電電連接劑處理后的光電極具有良好的光電性能。
[0050]用UV-2550對(duì)實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3和實(shí)施例4制備并處理過(guò)的光電極進(jìn)行UV-vis透射光譜測(cè)試,數(shù)據(jù)圖為圖5,綜合考慮光電性能和透射光譜,新型電連接劑處理的光電極具有良好的性能。
[0051]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例,并不用于限制本發(fā)明,對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō),本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),多做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種通過(guò)電連接劑制備光催化分解水顆粒膜電極的方法,其特征在于,包括: (1)室溫條件下,將金屬鹽、摻雜元素的化合物及有機(jī)溶劑配成前驅(qū)體; (2)通多電泳沉積的方法制備光催化分解水顆粒膜電極; (3)將(2)得到的顆粒膜電極,在前驅(qū)體中多次浸漬、退火,使電極材料顆粒之間被電連接劑填充,起到電荷導(dǎo)線的作用; (4)將所述(3)處理過(guò)的顆粒膜電極進(jìn)行二次退火處理; 所述(I)中金屬鹽為TiCl4、SnCl4;所述摻雜元素包括:Sb、F、Nb中的一種或幾種;有機(jī)溶劑包括甲醇和/或丙酮; 所述(2)中顆粒膜電極由電極材料加碘單質(zhì)分散在丙酮溶液中,電泳沉積制備。2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述步驟(3)中浸漬時(shí)間為3秒鐘到10秒鐘;退火時(shí)間為300 °C,2min,空氣中冷卻到室溫;次數(shù)為I到13次。3.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述(4)二次退火溫度為650°C,Ih再加上750°C,5min,冷卻到室溫。4.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述的金屬鹽TiCl4、SnCl4濃度為30mM,摻雜元素與T1、Sn的摩爾比為1:10?I: 100。5.如權(quán)利要求1所述的光催化分解水顆粒膜電極,其特征在于,所述的顆粒膜電極電極材料加碘單質(zhì)分散在丙酮溶液中,電極材料比碘單質(zhì)比丙酮的比例為40mg: 1mg: 50ml。6.如權(quán)利要求1所述的光催化分解水顆粒膜電極,其特征在于,所述的電泳沉積電壓為1V——15V,沉積時(shí)間為30秒到5min。7.如權(quán)利要求2—一3任一項(xiàng)所述的的方法,其特征在于,所述室溫為20°C至30°C。8.如權(quán)利要求1一一6所述的方法制備的光催化分解水顆粒膜電極的應(yīng)用,其特征在于,電連接劑用于光催化分解水顆粒膜電極材料顆粒之間的連接,提高電極的光電性能。
【文檔編號(hào)】C25D13/02GK105887130SQ201610225982
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】李朝升, 郭永勝, 張寧斯, 鄒志剛
【申請(qǐng)人】南京大學(xué)