一种光电化学电池水解制氢的反应装置论文和设计-李红霞

全文摘要

本实用新型涉及一种光电化学电池水解制氢的反应装置。本实用新型包括电解池和三电极体系电解装置，三电极体系电解装置包括具有光电响应能力的工作电极、参比电极及对电极；工作电极包括基底、TiO2薄膜、2维材料层和0维光敏材料层。基底采用FTO，TiO2位于基底上，2维材料层位于TiO2薄膜上，0维光敏材料层位于2维材料层上；工作电极通过基底与供电电源的正极和参比电极相连接。本实用新型0维光敏材料层有效增加光阳极的光学活性，拓宽光谱吸收范围，同时有效提高载流子分离。2维材料层作为高导电性的基底负载0维光敏材料层，有效地提高光阳极的电子‑空穴对分离效率。电极通过底部支架固定在电解池底部，提高了电解效率。

主设计要求

1.一种光电化学电池水解制氢的反应装置，包括电解池和三电极体系电解装置，电解池内装有电解液，其特征在于：所述的三电极体系电解装置设置在电解液内，三电极体系电解装置通过底部支架固定在电解池内，浸泡于电解液内；三电极体系电解装置包括具有光电响应能力的工作电极、参比电极及对电极；工作电极通过导电夹子与供电电源的正极、参比电极相连；供电电源的负极连接到对电极上；工作电极包括基底、TiO2薄膜、2维材料层和0维光敏材料层；基底采用FTO，TiO2位于基底上，2维材料层位于TiO2薄膜上，0维光敏材料层位于2维材料层上；工作电极通过基底与供电电源的正极和参比电极相连接；工作电极用环氧树脂对工作电极进行封装，并漏出1*1cm2的工作区域。

设计方案

1.一种光电化学电池水解制氢的反应装置，包括电解池和三电极体系电解装置，电解池内装有电解液，其特征在于：所述的三电极体系电解装置设置在电解液内，三电极体系电解装置通过底部支架固定在电解池内，浸泡于电解液内；三电极体系电解装置包括具有光电响应能力的工作电极、参比电极及对电极；工作电极通过导电夹子与供电电源的正极、参比电极相连；供电电源的负极连接到对电极上；工作电极包括基底、TiO_{2<\/sub>薄膜、2维材料层和0维光敏材料层；基底采用FTO，TiO_{2<\/sub>位于基底上，2维材料层位于TiO_{2<\/sub>薄膜上，0维光敏材料层位于2维材料层上；工作电极通过基底与供电电源的正极和参比电极相连接；工作电极用环氧树脂对工作电极进行封装，并漏出1*1cm^{2<\/sup>的工作区域。}}}}

2.如权利要求1所述的一种光电化学电池水解制氢的反应装置，其特征在于：所述的工作电极包括基底、TiO_{2<\/sub>薄膜、2维材料层和0维光敏材料层；基底采用FTO，TiO_{2<\/sub>薄膜旋涂于基底上，2维材料层通过浸渍复合到TiO_{2<\/sub>薄膜上，0维光敏材料层通过磁控溅射法制备或水热法制备于2维材料层上。}}}

3.如权利要求1所述的一种光电化学电池水解制氢的反应装置，其特征在于：所述的参比电极为饱和甘汞电极。

4.如权利要求1所述的一种光电化学电池水解制氢的反应装置，其特征在于：所述的对电极为镀Pt黑的Pt片。

5.如权利要求1所述的一种光电化学电池水解制氢的反应装置，其特征在于：所述的电解液为0.5M Na _{2<\/sub>SO_{4<\/sub>水溶液。}}

6.如权利要求1所述的一种光电化学电池水解制氢的反应装置，其特征在于：所述的TiO_{2<\/sub>薄膜的厚度为20～100nm。}

7.如权利要求1所述的一种光电化学电池水解制氢的反应装置，其特征在于：所述的2维材料层包括还原氧化石墨烯(rGO)及MoS2。

8.如权利要求1所述的一种光电化学电池水解制氢的反应装置，其特征在于：所述的0维光敏材料选用金属纳米颗粒或者量子点。

9.如权利要求1所述的一种光电化学电池水解制氢的反应装置，其特征在于：所述的底部支架包括支架底座和支撑座，支撑座与支架底座一体成型，支撑座顶面开有一个或多个电极安装槽。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于清洁可再生新能源利用技术领域，涉及一种光电化学电池水解制氢的反应装置。

背景技术

在当前能源与环境问题日益突出的大背景下，寻找清洁可持续的新能源替代传统化石能源正受到人们越来越多的关注。太阳能作为取之不尽同时又是生态学上纯净的和不改变地球上燃料平衡的能源，只要能以10％效率转化0.1％到达地球表面的太阳能，即可满足全球的能源需求。因此，太阳能是未来人类社会构建低碳经济时代最理想的能源，开发高效的太阳能利用方式也成为当前科学家的重大研究课题。光电化学分解水技术是在电场辅助下的光电化学分解水，光电催化氧化还原反应发生在不同的电极上，能够减少光生电子空穴对的复合几率，进而提升了能量转换效率，同时，光电化学分解水技术具有对环境零污染等特点，因而受到越来越广泛的研究和应用，是最具前景的太阳能转化利用方法之一，也被认为是解决能源短缺和环境污染问题最理想的途径之一。

为获得高效的光电化学分解水过程，实现光阳极材料吸收光谱波段的最大化和界面处载流子分离和传输能耗的最小化尤为关键。但实际的研究表明，开发一个在这两个要素上均有显著提高的光电化学光阳极十分困难。目前的光阳极材料主要分为两大类：窄带隙的半导体(硅，III-V族化合物等)和宽带隙的金属氧化物(TiO_{2<\/sub>，ZnO等)。窄带隙半导体因光腐蚀和光钝化导致其稳定性能较差。宽带隙的金属氧化物电极，尤其是TiO2，因其成本低廉且具有出色的光电化学稳定性及多样的形貌结构受到了广泛的研究。不过，由于TiO2材料本身带宽较大，对太阳能吸光波段较小，使得光电转化效率较低(当带宽大于3.0eV，光电转化效率小于2％)。因此提出了一种具备上述光电化学光阳极的光电化学电池水解制氢的反应装置。}

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种光电化学电池水解制氢的反应装置。

本实用新型包括电解池和三电极体系电解装置，电解池内装有电解液，三电极体系电解装置设置在电解液内，三电极体系电解装置通过底部支架固定在电解池内，浸泡于电解液内。三电极体系电解装置包括具有光电响应能力的工作电极、参比电极及对电极；工作电极通过导电夹子与供电电源的正极、参比电极相连；供电电源的负极连接到对电极上；

工作电极包括基底、TiO_{2<\/sub>薄膜、2维材料层和0维光敏材料层。基底采用FTO，TiO_{2<\/sub>位于基底上，2维材料层位于TiO_{2<\/sub>薄膜上，0维光敏材料层位于2维材料层上。}}}

工作电极通过基底与供电电源的正极和参比电极相连接；工作电极用环氧树脂对工作电极进行封装，并漏出1*1cm^{2<\/sup>的工作区域。}

所述的工作电极包括基底、TiO_{2<\/sub>薄膜、2维材料层和0维光敏材料层。基底采用FTO，TiO_{2<\/sub>薄膜旋涂于基底上，2维材料层通过浸渍复合到TiO_{2<\/sub>薄膜上，0维光敏材料层通过磁控溅射法制备或水热法制备于2维材料层上。}}}

所述的参比电极为饱和甘汞电极。

所述的对电极为镀Pt黑的Pt片。

所述的电解液为0.5M Na _{2<\/sub>SO_{4<\/sub>水溶液。}}

所述的TiO_{2<\/sub>薄膜的厚度为20～100nm，}

所述的2维材料层包括还原氧化石墨烯(rGO)及MoS2。

所述的0维光敏材料选用金属纳米颗粒或者量子点。

所述的底部支架包括支架底座和支撑座，支撑座与支架底座一体成型，支撑座顶面开有一个或多个电极安装槽。

本实用新型既能拓宽TiO_{2<\/sub>的吸光范围，又能提高载流子的分离传输效率的方法。0维光敏材料层具有强的光吸收效应和对可见光响应等特性，可以有效增加光阳极的光学活性，拓宽光谱吸收范围。0维光敏材料层修饰半导体光阳极所形成的异质界面的能带结构可以有效提高载流子分离。2维材料层作为高导电性的基底负载0维光敏材料层，可以在界面处形成显著的能级补偿，光生电子很容易从0维光敏材料层转移到2维材料层中，可以有效地提高光阳极的电子-空穴对分离效率。所有电极通过底部支架固定在电解池底部，使得反应液与电解液充分接触，提高了电解效率。}

附图说明

图1为本实用的整体结构示意图；

图2为图1中工作电极的结构示意图；

图3为图1中工作电极的封装结构示意图；

图4为图1中底部支架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

如图1所示，一种光电化学电池水解制氢的反应装置，包括电解池1和三电极体系电解装置2，电解池内装有电解液，三电极体系电解装置设置在电解液内，三电极体系电解装置2通过底部支架3固定在电解池内，浸泡于电解液内。三电极体系电解装置2包括具有光电响应能力的工作电极4、参比电极5及对电极6；工作电极4通过导电夹子与供电电源7的正极、参比电极5相连,供电电源4的负极连接到对电极6上；电解池为H型电解池，工作电极4与参比电极5通过底部支架3设置在H型电解池的一个工作腔，对电极6通过底部支架3设置在H型电解池的另一个工作腔。

如图2所示工作电极4包括基底4-1、TiO_{2<\/sub>薄膜4-2、2维材料层4-3和0维光敏材料层4-4。基底采用FTO，TiO_{2<\/sub>位于基底上，2维材料层位于TiO_{2<\/sub>薄膜上，0维光敏材料层位于2维材料层上。基底采用FTO，TiO_{2<\/sub>薄膜旋涂于基底上，2维材料层通过浸渍复合到TiO_{2<\/sub>薄膜上，0维光敏材料层通过磁控溅射法制备或水热法制备于2维材料层上。}}}}}

TiO_{2<\/sub>薄膜的厚度为20～100nm，2维材料层包括还原氧化石墨烯(rGO)及MoS，0维光敏材料选用金属纳米颗粒或者量子点。参比电极为饱和甘汞电极，对电极为镀Pt黑的Pt片，电解液为0.5M Na _{2<\/sub>SO_{4<\/sub>水溶液。}}}

如图3所示，工作电极通过基底与供电电源的正极和参比电极相连接，为避免短路，用环氧树脂对工作电极进行封装，并漏出1*1cm^{2<\/sup>的工作区域。}

如图4所示，底部支架3包括支架底座3-1和支撑座3-2，支撑座3-2与支架底座一体成型，支撑座3-2上开有一个或多个电极安装槽3-3，用于固定三电极体系电解装置中的各个电极。底部支架为独立结构不使用时，可取出电解池。底部支架3有多种型号，支架底座3-1的形状根据反应池形状选择，电极安装槽3-3截面的形状与需固定的电极截面形状相同，支撑座3-2的设置位置也根据实际使用位置选择。

上述实施例并非是对于本实用新型的限制，本实用新型并非仅限于上述实施例，只要符合本实用新型要求，均属于本实用新型的保护范围。

设计图

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主设计要求

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