[发明专利]可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用系统，具体涉及一种可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系，属于新能源技术领域。

背景技术

由于世界经济的迅猛发展，人类对能源的需求日益增大。然而，以化石能源为基础的现代工业，正面临这种不可再生能源即将枯竭的事实。以光电催化为基础的太阳能制氢，是一种具有前景的新技术。光电催化分解水制氢系统，以双电极为基础，通过将光电极的光生电子或光生空穴通过外电路引到对电极，促进光生电荷的分离，而实现光电催化分解水制氢。但是现有的光电催化分解水产氢体系，均为单独的光电极接受光照射，且需要提供外加的偏电压，即提供额外的能量，因而限制了光的吸收及其分解水制氢的应用；此外研制可见光响应的、高效的光电极材料也一直是该领域研究的热点。

2008年，Heli Wang等提出了采用n型光阳极、p-型GaInP₂作为光阴极的光电催化分解水制氢体系(J.Electrochem.Soc.2008,155,F91)，构建了双光电极光电催化分解水制氢体系，其与单光电极体系相比，可以提高体系对于太阳光的利用。但是所报道的光电催化分解水制氢体系，在AM1.5条件下，在无外加偏电压的情况下，产氢性能很弱，这是由于该体系所采用电极n型光阳极的导带位置要比p-GaInP₂的价带位置更正，在光照条件下，光阳极的费米能级要比光阴极的费米能级更正，因而难以实现在无外加偏电压的情况下，光阳极的光生电子自发进入光阴极而实现自发分解水产氢的过程。2012年，Chen等报道了使用n型WO₃电极作为光阳极，p-型铂修饰硅电池片电极作为阴极的光电催化分解水制氢体系(ChemSusChem2013,6,1276)，由于该体系n型WO₃电极光阳极的导带位置要比p-型铂修饰硅电池片电极的价带位置低，因而实现了可见光条件下自偏压光电催化分解水产氢。然而由于受n型WO₃电极材料费米能级的制约，n型电极与p-型电极间的自偏电压仍然较小，且WO₃电极材料还存在着明显的光生载流子复合，这些问题导致其体系的光催化分解水产氢的性能低下，在AM1.5条件下，其产氢性能只有0.204μmol h^-1cm^-2，另外使用WO₃电极只能吸收波长小于420nm的近紫外光，限制了其对可见太阳光的充分利用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可见光响应的、具有高效自偏压的光电催化分解水产氢并发电的体系，以实现将太阳能转变为氢能和电能的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系，包括光阳极、光阴极、电解质、可见光光源、石英反应池和石英集气管，其特征在于，所述的光阳极为可见光响应的Bi₂S₃敏化的TiO₂纳米管阵列薄膜电极，所述的光阴极为可见光响应的铂修饰硅电池片电极，所述的电解质为0.1～0.5M的Na₂S溶液；将所述的光阳极与光阴极同时插入所述的石英反应池中的所述的电解质中，并且通过外电路联通；开启所述可见光光源分别照射所述的光阳极和光阴极，此时所述的光阳极和光阴极分别发生电极反应并通过外电路形成回路，从而实现自偏压光电催化产氢与发电。

进一步地，所述的可见光光源为模拟太阳光，光强为100mW cm^-2。

本发明的另一技术方案为：

一种上述可见光响应的自偏压光电催化分解水产氢并发电的体系的制备方法，其具体步骤包括：