[发明专利]光电阴极、光电阳极及光电化学合成氨的器件

说明书

本申请涉及光电化学技术领域，特别是一种光电阴极、光电阳极及光电化学合成氨的器件。解决相关技术中光电化学反应产氨需要额外能耗(如外加偏压)以及光电化学反应产氨效率较低的问题。一种光电阴极，包括：第一吸光器，以及依次层叠设置于第一吸光器表面的保护层和助催化层；其中，保护层可透光，且保护层的材料包括：石墨烯、石墨片和氧化硅中的一种或多种；助催化层的材料包括：过渡金属材料中的一种或多种。

技术领域

本申请涉及光电化学合成氨技术领域，特别是一种光电阴极、光电阳极及光电化学合成氨的器件。

背景技术

氨(NH₃)不仅在农业、纺织、塑料、医药等行业发挥着重要作用，而且由于其能量密度较高、方便储存和运输，是一种高效的氢气和能量存储介质，例如1升液氨相当于4.5升氢气(35MPa)，因此，其还可作为下一代清洁能源的载体，在现代社会和经济发展中一直居于举足轻重的地位。

传统的合成氨工艺主要依靠哈伯工艺，该工艺需要在高温、高压下将氮气还原成氨进行制备，需要大量的煤和化石能源，而由此造成一系列的环境问题不利于绿色可持续发展，例如中国作为世界上最大的合成氨生产国每年大约产氨7300万吨，约占全球的34％，涉及240多家企业。但是合成这些氨大约90％是以煤作为原料进行的，大约每年需要消耗8400万吨标准煤，约占化工能耗的25％，因此合成氨工业迫切需要全球范围内的节能减排。

光电化学合成氨是一种以太阳能驱动的绿色环保产氨路径，通过在光照下产生电子与空穴对，电子传输到电极(如光电阴极)表面，在催化剂的存在下与电解液发生还原反应生成氨，空穴则通过外电路抵达阳极发生氧化反应。与能量输入均为电能的传统电催化相比，由太阳能激发的光电化学更为节能环保，同时相对于基于粒子悬浮工艺的光催化相比，光电化学具有更高的产率和效率。目前，尽管光电化学研究领域已经取得了较大的进展，但依旧面临着光电化学体系中催化剂稳定性差，在光电化学反应过程中仍然需要施加额外的偏压(如将光电阴极连接到外部电源上)来提高载流子的分离和迁移率等的问题，不利于光电化学反应的高效进行。

发明内容

基于此，本申请提供一种光电阴极、光电阳极及光电化学合成氨的器件，用以解决相关技术中光电化学反应产氨需要额外能耗(如外加偏压)以及光电化学反应产氨效率较低的问题。

发明原理：

光电极中的半导体在光的激发下产生光生电子与光生空穴，光电阴极的电子迁移到电极表面参与还原反应，空穴通过外电路转移到光电阳极发生氧化反应。电子与空穴对极易发生复合，故一般施加额外偏压加速载流子迁移，额外偏压需要耗费大量的电能。本申请实现了光电阴极表面局域电子化结构储存光生电子，该结构并可以作为路易斯酸位点，促进硝酸根的吸附和活化，利于高效、高选择性合成氨；高压应力的微米级光电阳极的设计和调控，增强载流子的分离和转移，对于耐用和高效的光电化学OER反应具有促进作用；选择能带结构匹配的光电阳极和光电阴极，合理的光电阳极和光电阴极平面设计，促进无外加光电化学硝酸根还原合成氨器件的形成。

第一方面，本申请提供一种光电阴极，包括：第一吸光器，以及依次层叠设置于第一吸光器表面的保护层和助催化层；

其中，保护层可透光，且保护层的材料包括：石墨烯、石墨片和氧化硅中的一种或多种；助催化层的材料包括：过渡金属材料中的一种或多种；

可选地，第一吸光器为p型窄带隙半导体材料；可选地，p型窄带隙半导体材料包括：p型硅、异质结n⁺p型硅、氧化亚铜和磷化铟中的任一种；

可选地，石墨烯和/或石墨片通过水热高温热解法制备得到，且保护层通过旋涂、滴涂和喷涂中的至少一种方式将石墨烯和/或石墨片的分散液施加在所述第一吸光器的表面，并通过退火制备得到；

可选地，氧化硅通过磁控溅射制备得到；

可选地，保护层的厚度为5～20nm；