专利名称：一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种光解水纳米电极池的制备技术，特别涉及能够利用太阳光中可见光波段和紫外波段光解水制氢的纳米电解池。
背景技术：
自21世纪以来，能源的问题一直是人们关注的话题。化石类能源的减少和人类日益增长的能量消耗，迫使人们去寻找一种新的能原.清洁，高效使得氢能源成为最为理想的二次能源而备受人们关注。水解制氢多有报道，但是水解制氢的成本也很高。利用太阳能水解制氢更是一个新兴的焦点。但是如何才能有效利用太阳光光解水制氢呢？中国专利CN101143712A公开了一种利用太阳能分解制氢的纳米电极，具体的说是利用二氧化钛微球和其他半导体材料如氧化锌构建层状纳米电极。该发明利用紫外光可以激发二氧化钛纳米微球，引起电子的活化和跃迁从而实现光解水制氢的功能。由于发明仅能利用紫外光，所以应用时不太方便；同时，从制备纳米二氧化钛到制备电极需要高温烧结，能量消耗大，而且步骤也比较繁琐。中国专利CN1899689A公开了一种能相应可见光的固溶体光催化剂的制备方法。发明的化学式为BixM2-xV208的化合物，M = Y、La、Ce、Pr等中的一种，先加乙醇将固体粉末混合均勻， 80°C干燥，800-1000°C固相反应一个小时以上。本发明可以利用波长小于600nm的可见光和紫外光，具备了光催化活性，能在吸收光谱范围内有效降解污物和水解制氢，可是发明存在明显的成本高，能源消耗大的缺点。中国专利CN1900366A中公开了一种用于光电化学反应的离子膜光电解池结构，实现了无偏亚直接光解水。该发明的光解池结构包括用全氟羧酸/磺酸复合离子膜将容器分为两个室，一个室为“酸室”，一个为“碱室”，半导体材料固定在导电玻璃上作为阳极，另一端惰性电极放入酸室作为阴极，将酸碱短接后，从碱室摄入阳光，在阴极上产生氢气。发明结构简单，但对容器的要求较高，对酸碱液的浓度要求较高，同时酸碱也具有较强的腐蚀性，对电极寿命有很大影响；而且以上电极只能利用太阳光中的紫外部分，效率较低。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种能高效利用太阳光且能量转化率高，设备要求低，成本低，生产工艺简单，能源消耗少的绿色环保的纳米电解池的制备方法。 这种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于该电解池能够利用太阳光中可见光波段和紫外波段光解水制氢，本发明制备的纳米电解池是由纳米氧化亚铜和纳米二氧化钛混合纳米层制备的多层半导体复合光电极阳极，和惰性阴极以及电解液组成，具体包含以下步骤(1)将纳米氧化亚铜和纳米二氧化钛混合后与经过等离子处理或者酸、碱蚀处理后的半导体材料通过旋涂等方式组合，构建层状架构，通过真空表面烧结制备层状纳米金属电极；(2)选择另一惰性电极作 为电解池阴极；(3)将电极置于电解液内，短接阴阳两极，引入太阳光照射纳米电极阳极即可；步骤(1)中所述的纳米氧化亚铜为油溶性纳米氧化亚铜粉体，或者为油溶性纳米氧化亚铜正己烷，正庚烷，环己烷，等5-18烷等至少其中一种非极性溶剂的分散液；步骤(1)中所用纳米二氧化钛为油溶性纳米二氧化钛粉体，或者为油溶性纳米二氧化钛正己烷，正庚烷，环己烷，等5-18烷等至少其中一种非极性溶剂分散液；所述的纳米氧化亚铜，纳米二氧化钛，其特征在于其纳米颗粒的粒径均为 2-lOOnm，纳米分散液质量浓度均为10_90wt% ；步骤(1)中纳米氧化亚铜和纳米二氧化钛的质量比为1 9-9 1;步骤(1)中所用半导体电极为氟代二氧化锡，铟锡氧化物等；步骤(1)中所述的纳米氧化亚铜和二氧化钛混合后在半导体材料上的组合烧结温度为40-200°C，烧结时间为0. 5-1. 5小时，烧结真空度要求为10pa-500pa ；步骤⑵中所用的纳米混合层数为1-6层，纳米电极纳米层的单层厚度为1-4微米；步骤⑵中所述的惰性电极阴极为钼，金，碳，钛等电极或者是钼，金等惰性金属电镀电极；步骤(3)中所述的电解液为氢氧化钾，氯化钾，硫酸钾等，浓度为0. 1-1. 0mol/Lo有益效果1、本发明采用高技术含量的纳米复合光解电极，可有有效利用太阳光，具有较高的光转化率和光分解效率，提高制氢效率；2、本发明制备的纳米复合层为憎水层，在电解液中可以保持良好的稳定性和较长的寿命；3、本发明工艺简单，节能减耗，符合绿色环保的要求，具有极大的推广价值。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。附图1本发明电极的基本层状构架示意图。图中1——为纳米氧化亚铜和纳米二氧化钛混合层，2——为电极半导体材料。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1 将纳米氧化亚铜粉0. 5g和纳米二氧化钛0. 5g混合后溶于5ml正己烷中形成浓浆，然后将浆料旋涂于l*2cm经过酸蚀处理的氟代二氧化锡薄片上，调节旋涂速度，使涂层厚度为1-2微米之间，然后将该薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度为 10-50pa，同时升温到100°C，从100°C开始计时，30min后取出，重复以上办法，制备第二层纳米涂层，即得电解阳极。以钼电极为电解池阴极，以浓度为0. 2mol/L氯化钾为电解液，将阴阳两极置于电解池内，短接两极。在阳极引入太阳光。通过测量阴阳两极的电压和通过电流，以及阳光照射 积，光强测算最大光转换效率为1. 5%。实施例2 将纳米氧化亚铜粉0. 2g和纳米二氧化钛粉0. Sg混合后溶于IOml环己烷中形成浓浆，然后将浆料旋涂于l*2cm经过等离子处理的氟代二氧化锡薄片上，调节旋涂速度，使涂层厚度为1-2微米之间，然后将该薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度为 10-50pa,同时升温到90°C，从90°C开始计时，50min后取出，重复以上办法，制备第二层纳米涂层，即得电解阳极。以钼电极为电解池阴极，以浓度为0. 5mol/L氯化钾为电解液，将阴阳两极置于电解池内，短接两极。在阳极引入太阳光。通过测量阴阳两极的电压和通过电流，以及阳光照射面积，光强测算最大光转换效率为2. 2%。实施例3 将纳米氧化亚铜粉0. Sg和纳米二氧化钛粉0. 2g混合后溶于IOml环己烷中形成浓浆，然后将浆料旋涂于l*2cm经过等离子处理的氧化锌薄片上，调节旋涂速度，使涂层厚度为1-2微米之间，然后将该薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度为 10-50pa，同时升温到90°C，从90°C开始计时，50min后取出，重复以上办法，制备第二层纳米涂层，即得电解电极阳极。以钼电极为电解池阴极，以浓度为0. 5mol/L氯化钾为电解液，将阴阳两极置于电解池内，短接两极。在阳极引入太阳光。通过测量阴阳两极的电压和通过电流，以及阳光照射面积，光强测算最大光转换效率为2. 0%。实施例4 将浓度为60衬％纳米氧化亚铜正庚烷分散液和60衬％纳米二氧化钛正庚烷分散液混合，其中含纳米氧化亚铜0. 4g纳米二氧化钛0. 6g，搅拌混合后，旋涂于l*2cm 经过等离子处理的氧化锌薄片上，调节旋涂速度，使涂层厚度为1-2微米之间，然后将该薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度为10-50pa，同时升温到90°C，从90°C开始计时， 50min后取出，重复以上办法，制备第二层纳米涂层，即得电解阳极。以钼电极为电解池阴极，以浓度为0. 5mol/L氯化钾为电解液，将阴阳两极置于电解池内，短接两极。在阳极引入太阳光。通过测量阴阳两极的电压和通过电流，以及阳光照射面积，光强测算最大光转换效率为2. 0%。实施例5 将0. 3g纳米氧化亚铜粉和60wt %纳米二氧化钛正庚烷分散液混合，其中含纳米二氧化钛0. 7g，超声搅拌混合后，旋涂于l*2cm经过等离子处理的氧化锌薄片上， 调节旋涂速度，使涂层厚度为1-2微米之间，然后将该薄片放置于真空烘箱中，抽真空使真空度为10-50pa，同时升温到100°C，从100°C开始计时，50min后取出，重复以上办法，制备第二层纳米涂层，即得电解阳极。以钼电极为电解池阴极，以浓度为0. 5mol/L氯化钾为电解液，将阴阳两极置于电解池内，短接两极。在阳极引入太阳光。通过测量阴阳两极的电压和通过电流，以及阳光照射面积，光强测算最大光转换效率为2. 0%。
权利要求
1.一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于该电解池能够有效利用太阳光中可见光波段和紫外波段光解水制氢。本发明制备的纳米电解池是由纳米氧化亚铜和纳米二氧化钛混合纳米层制备的多层半导体复合光电极阳极，和惰性阴极以及电解液组成，具体包含以下步骤(1)将纳米氧化亚铜和纳米二氧化钛混合后与经过等离子处理或者酸、碱蚀处理后的半导体材料通过旋涂等方式组合，构建层状架构，通过真空表面烧结制备层状纳米金属电极；(2)选择另一惰性电极作为电解池阴极；(3)将电极置于电解液内，短接阴阳两极，引入太阳光照射纳米电极阳极即可；
2.根据权利要求项1所述的一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的纳米氧化亚铜为油溶性纳米氧化亚铜粉体，或者为油溶性纳米氧化亚铜正己烷，正庚烷，环己烷，等5-18烷等至少其中一种非极性溶剂的分散液；
3.根据权利要求项1所述的一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于步骤(1)中所用纳米二氧化钛为油溶性纳米二氧化钛粉体，或者为油溶性纳米二氧化钛正己烷，正庚烷，环己烷，等5-18烷等至少其中一种非极性溶剂分散液；
4.如权利要求项2、3所述的纳米氧化亚铜，纳米二氧化钛，其特征在于其纳米颗粒的粒径均为2-lOOnm，纳米分散液质量浓度均为10_90wt% ；
5.根据权利要求项1所述的一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于步骤(1)中纳米氧化亚铜和纳米二氧化钛的质量比为1 9-9 1;
6.根据权利要求项1所述的一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于步骤(1)中所用半导体电极为氟代二氧化锡，铟锡氧化物等；
7.根据权利要求项1所述的一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的纳米氧化亚铜和二氧化钛混合后在半导体材料上的组合烧结温度为40-200°C，烧结时间为0. 5-1. 5小时，烧结真空度要求为10pa-500pa ；
8.根据权利要求项1所述的一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池，其特征在于能利用可光分解制氢的纳米电极的制备方法，其特征在于；步骤(2)中所用的纳米混合层数为1-6层，纳米电极纳米层的单层厚度为1-4微米；
9.根据权利要求项1所述的一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的惰性电极阴极为钼，金，碳，钛等电极或者是钼，金等惰性金属电镀电极；
10.根据权利要求项1所述的一种能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的电解液为氢氧化钾，氯化钾，硫酸钾等，浓度为 0. 1-1. Omol/LO
全文摘要
本发明公开了一种用于光解水的纳米电解池的制备技术，特别涉及能高效利用太阳光光解水制氢的纳米电解池及其制备方法。具体步骤为(1)将纳米氧化亚铜和纳米二氧化钛混合后与其他半导体材料通过旋涂等方式组合，构建层状架构，通过真空表面烧结制备层状纳米金属电极；(2)选择另一惰性电极作为电解池阴极；(3)将阴阳电极置于电解液内，短接阴阳两极，引入太阳光照射纳米电极阳极即可。本发明采用混合组分的纳米电极，可以最大化利用太阳能进行光解水制氢，实现很高的光转化效率和光解效率；同时本发明电解池制作工艺简单，实施方便，具有很大的推广价值。
文档编号C25B9/00GK102168281SQ20101011504
公开日2011年8月31日 申请日期2010年2月26日 优先权日2010年2月26日
发明者余晓锦 申请人:上海图和环保材料科技有限公司