CN109487291A - 一种光阴极制备方法、光阴极及其光电化学电池 - Google Patents

一种光阴极制备方法、光阴极及其光电化学电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光阴极制备方法、光阴极及其光电化学电池，涉及光电化学技术领域，用于提高氧化亚铜光阴极的光电化学稳定性。其中，所述光阴极制备方法包括：制备Cu2O/Ni(OH)2复合结构的生长基底；配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Cu2O的生长液；在所述生长基底上生长Cu2O；配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Ni(OH)2的生长液；将生长有Cu2O的生长基底放置在所述Ni(OH)2的生长液中，生长出Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极。上述光阴极制备方法适用于光电化学电池中。

Description

一种光阴极制备方法、光阴极及其光电化学电池
【技术领域】
本发明涉及光电化学技术领域，尤其涉及一种光阴极制备方法、光阴极及其光电化学电池。
【背景技术】
目前，化石燃料是人类能源的主要来源，随着人类对能源的需求不断增加，化石燃料的储量逐渐枯竭，迫切需要新的替代能源。氢气的热值高，而且清洁环保，利用太阳光分解水制氢技术是人类解决能源问题的理想途径之一。
光电化学电池利用光电极吸收太阳光，在内部激发出光生电子空穴对，光生电子在光阴极表面还原水中的质子产生氢气，而光生空穴在光阳极表面氧化水生成氧气，从而将太阳能转化为氢能。
因此，如何提高氧化亚铜光阴极的光电化学稳定性，是本领域亟待解决的技术难题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光阴极制备方法、光阴极及其光电化学电池，用于提高氧化亚铜光阴极的光电化学稳定性。
本发明一方面提供一种光阴极制备方法，所述光阴极制备方法包括：
制备Cu2O/Ni(OH)2复合结构的生长基底；
配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Cu2O的生长液；
在所述生长基底上生长Cu2O；
配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Ni(OH)2的生长液；
将生长有Cu2O的生长基底放置在所述Ni(OH)2的生长液中，生长出 Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极。
可选的，所述配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Cu2O的生长液包括：
将0.1mol/L的CuSO4溶液与等体积的3mol/L乳酸水溶液混合，制备出乳酸合铜络离子混合液；
将4mol/L的NaOH溶液逐滴滴入至所述乳酸合铜络离子混合液中，使所述乳酸合铜络离子混合液的pH为12，制备出Cu2O的生长液。
可选的，所述配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Ni(OH)2的生长液包括：
将20mL的0.8mol/L的硫酸镍水溶液与20mL的1.6mol/L的氢氧化钠水溶液混合，制备出Ni(OH)2的生长液。
可选的，所述制备Cu2O/Ni(OH)2复合结构的生长基底包括：
将FTO玻璃切成规格为10mm×15mm的小片，每一个小片作为一个所述生成基底。
可选的，光阴极制备方法还包括：
清洗所述生长基底。
可选的，所述清洗所述生长基底的方法包括：
将所述生长基底浸泡在去离子水中，超声清洗5分钟；
将浸泡在所述去离子水中的所述生长基底取出，浸泡在丙酮溶液中，超声清洗5分钟；
将浸泡在所述丙酮溶液中的所述生长基底取出，浸泡在乙醇溶液中，超声清洗5分钟；
将浸泡在所述乙醇溶液中的所述生长基底取出，浸泡在异丙醇溶液中，超声清洗5分钟。
可选的，用于超声清洗的所述去离子水、所述丙酮溶液、所述乙醇溶液和所述异丙醇溶液的浓度均为100％。
可选的，所述将生长有Cu2O的生长基底放置在所述Ni(OH)2的生长液中包括：
将所述生长基底生长有Cu2O的一面向下倾斜并浸入至所述Ni(OH)2的生长液中。
本发明另一方面还提供一种光阴极，所述光阴极由本发明前一方面所述的光阴极制备方法制备出。
本发明另一方面还提供一种光电化学电池，所述光电化学电池包括光阴极、对电极和电解液，所述光电化学电池所包括的光阴极为由本发明前一方面所述的光阴极制备方法制备出的光阴极。
上述技术方案中的任一技术方案具有如下有益效果：
本发明实施例中，通过构建Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极，在Cu2O 结构中在表面沉积了Ni(OH)2，由于Ni2+/Ni的电位(-0.23V vs.NHE)低于 Cu2O的导带位置，光生电子流向Ni(OH)2，将Ni2+还原成Ni0原子，形成金属 Ni颗粒。金属Ni颗粒起到析氢催化剂的作用，通过自身价态的转变(从Ni0到Ni2+)将电子传递给H+，生成H2，从而提高了Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极的光转氢效率。另外，附着在Cu2O薄膜表面的Ni(OH)2纳米片抑制了 Cu单质的生长，从而提高了光阴极的抗光腐蚀能力。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所提供的光阴极制备方法一种框图；
图2为本发明实施例所提供的光阴极制备方法另一种框图；
图3为本发明实施例所提供的光阴极制备方法另一种框图；
图4为本发明实施例所提供的Cu2O/Ni(OH)2复合结构的一种SEM图片；
图5为本发明实施例所提供的Cu2O/Ni(OH)2复合结构的另一种SEM图片；
图6为本发明实施例所提供的Cu2O光阴极和Cu2O/Ni(OH)2复合结构的J-V 曲线；
图7为本发明实施例所提供的Cu2O光阴极和Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光转氢效率和偏压的关系曲线。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二等来描述非显示区，但这些非显示区不应限于这些术语。这些术语仅用来将非显示区彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一非显示区也可以被称为第二非显示区，类似地，第二非显示区也可以被称为第一非显示区。
需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。
在详细的阐述本实施例的技术方案之前，对本技术方案涉及光电化学电池的工作原理以及技术脉络进行简单介绍：
氢是一种热值很高的清洁能源，其完全燃烧的产物--水不会给环境带来任何污染，而且放热量是相同质量汽油的2.7倍。因而开发低能耗高效的氢气生产方法，已成为国内外众多科学家共同关注的问题。
但是，大规模、低成本的生产、储存、运输氢气已经遇到了很大困难。目前获取氢气的方法主要是热裂解石油气，这种方法耗能高、污染大。另外，常温常压下储存高质量密度的氢气仍非常困难。与传统的以汽油为燃料的内燃机相比，燃料电池的价格仍过高。尽管面临着种种挑战，氢气作为一种清洁能源，在生产、储存、应用等方面仍持续受到关注。
在产氢方面，发展低成本的材料和技术是至关重要的。利用太阳光催化分解水制氢技术，可以将低密度的太阳能转化为可存储的氢能，是解决能源紧缺问题的重要途径之一。开发利用可再生清洁能源是缓解能源短缺和环境污染的重要举措[1]。在绿色可再生能源中，太阳能首屈一指，因为太阳能来自太阳光辐射，分布广泛，取之不尽，用之不竭，总量巨大，可直接利用，对环境无害。当然，太阳能也有诸如不集中、不稳定、利用效率低和利用成本高等严重缺点。但从长远来看，太阳能利用技术和设备的研发必然会越发受到重视。在太阳能利用中，光化学利用是一个较好的发展方向。
在新能源领域中，氢能已普遍被认为是一种最理想的绿色能源。这是它的独特的优点所决定的在所有元素中，氢重量最轻。它能够以气液固3种形式存在。能适应贮运及各种应用环境的不同要求；所有气体中，氢是自然界存在最普遍的元素；除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料化工燃料和生物燃料中最高的；氮燃烧性能好；氢气本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁。水是其惟一产物，不会对环境产生污染，也不会带来温室效应；氢能利用形式多，既可作为家用燃料，又可用于航天等。
目前，光电化学电池制氢效率很低，只能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光，电极易腐蚀，性能不稳定。因此设计并优化光电化学电池，提高光电化学电池的产氢速率，太阳能利用率，以及电池安全服役有重要意义。
自从1972年K.HONDA等报告了光解水的实验后，人们对半导体化学和光电化学进行了深入研究，这种直接的光解水将利用太阳能分解水作为燃料氢，是光化学家首先追求的目标，人类迫切地希望像植物一样高效的利用光能光电化学电池即当半导体光电极和对电极插人氧化还原对溶液中后，表面形成界面势垒 (即液体结)，分离光生的电子空穴对，在电池的两个电极上进行电化学反应。太阳能电池在固定波长的光幅射下，用外接电阻最有效地操作可使输人功率达到最大。溶液中不存在氧化还原对时，物质的氧化或还原反应取代生成的电能。这时，质子能在光阴极上还原生成氢气，OH-离子能在光阳极上氧化生成氧气，有时当需要加入外部电势才能电解时，这个过程就称为光辅助电解水。
目前，Cu2O作为一种较理想的光阴极材料，其带隙宽度窄，可以充分利用太阳光，并且导带位置远高于氢气的氧化还原电位，利于产氢反应的进行。
但是，其内部产生的光生电子容易与光生空穴发生复合而被消耗掉，并且其迁移率低、寿命短，不利于光生电子迁移到固液表面(Cu2O与电解液接触面) 参与产氢反应。Cu2O内部的腐蚀电位在还原氢电位之下，由于其电势差大，光生电子更容易跃迁到腐蚀电位，被还原成铜离子，使得Cu2O在溶液环境中极易发生光腐蚀，影响了大规模应用。
因此，如何提高Cu2O光阴极的光转氢效率，增强Cu2O的抗光腐蚀能力，是本领域的技术难题。
为了解决上述技术问题，发明人设计了如下技术方案：
本实施例提供一种光阴极制备方法，如图1所示，其本发明实施例所提供的光阴极制备方法一种框图，该光阴极制备方法包括：
S102、制备Cu2O/Ni(OH)2复合结构的生长基底。
本实施例中的生长基底可为氟掺杂氧化锡玻璃(以下简称FTO)，FTO的透明度可达到95％以上，利于透过FTO让光阴极吸收较多的可见光；在光电化学电池中，光线可从正反两面(正面可理解为生长有光阴极结构的一面，反面可理解为未生长光阴极结构的一面)摄入，增大了光利于面积。
具体的，制备Cu2O//Ni(OH)2复合结构的生长基底包括：
将FTO玻璃切成规格为10mm×15mm的小片，每一个小片作为一个生长基底。导电玻璃切成小片，表面电荷分布均匀，可以使Cu2O//Ni(OH)2复合结构在各个位置的厚度均匀一致。
进一步的，可清洗生长基底。
若生长基底表面不洁净，例如灰尘堆积或者有机物质存在，一方面会污染 Cu2O//Ni(OH)2复合结构的生长液，另一方面不利于生长液留存在生长基底上，影响Cu2O//Ni(OH)2复合结构的形成。
依然进一步的，清洗生长基底的方法包括：
将生长基底浸泡在去离子水中，超声清洗5分钟。将浸泡在去离子水中的生长基底取出，浸泡在丙酮溶液中，超声清洗5分钟。将浸泡在丙酮溶液中的生长基底取出，浸泡在乙醇溶液中，超声清洗5分钟。将浸泡在乙醇溶液中的所述生长基底取出，浸泡在异丙醇溶液中，超声清洗5分钟。超声清洗一方面可去除FTO 生长基底表面的灰尘，另一方面可将FTO生长基底表面的有机物质去除，利于生长液附着在FTO生长基底上，利于生长。
示例性的，本实施例中用于超声清洗的去离子水、丙酮溶液、乙醇溶液和异丙醇溶液的浓度均为100％。
清洗完成后，可对FTO生长基底进行干燥，示例性的，可用氮气吹干，并放入60至80℃的烘箱中烘干。对生长基底进行干燥可去除水分以及清洗溶液的残留，避免其对后续生长溶液的破坏。
S104、配置Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Cu2O的生长液。
首先需要说明的是，在Cu2O/Ni(OH)2复合结构中，需先在生长基底上生长出Cu2O薄膜，接着在生长出Cu2O薄膜的顶端生长出Ni(OH)2纳米片，形成Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极。
进一步的，如图2所示，其本发明实施例所提供的光阴极制备方法另一种框图，配置Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Cu2O的生长液包括：
S1041、将0.1mol/L的CuSO4溶液与等体积的3mol/L乳酸水溶液混合，制备出乳酸合铜络离子混合液。
对于“等体积”可有如下理解，CuSO4溶液与乳酸水溶液的体积相同，示例性的，本实施例可配置100ml的0.1mol/L的CuSO4溶液，并配置100ml 的3mol/L乳酸水溶液，再将二者充分混合，得到乳酸合铜络离子混合液。
S1042、将4mol/L的NaOH溶液逐滴滴入至乳酸合铜络离子混合液中，使乳酸合铜络离子混合液的pH为12，制备出Cu2O的生长液。
本实施例中的混合可理解为充分混合，为了达到充分混合的目的，本实施例可利用超声设备对该溶液进行超声混合。
需要说明的是，CuSO4和乳酸的混合溶液为酸性，在酸性溶液中生成的 Cu2O的费米能级靠近导带，因此是n型的半导体。光生电子在低能级更稳定，并可自发的从高能级向低能级流动，当n型的Cu2O与电解液接触时，能带向真空能级弯曲，不利于光生电子从Cu2O内部分离出来，其产氢效率低。
本实施例中，将第一溶液的pH调至碱性，利于制备出费米能级靠近价带的p型Cu2O，p型Cu2O与电解液接触时，界面向远离真空能级的方向弯曲，有利于光生电子从内部分离出来，促进水的还原反应，生成氢气。并且，pH 越高，Cu2O的结晶性越好，晶体结构缺陷减少，降低了载流子的俘获率，提高了载流子的寿命。
S106、在生长基底上生长Cu2O。
本实施例中可采用计时电位法(又称恒流法)来生长Cu2O，即，在沉积 Cu2O薄膜过程中，保持通过工作电极的电流不变。
示例性的，本实施例中沉积电流可为0.6mA，沉积时间可为1000s，根据沉积电量Q＝电流I×时间t，则沉积电量为0.6C。
若沉积电量小于0.6C，得到的Cu2O薄膜较薄，不利于可见光的充分利用；若沉积电量大于0.6C，得到的Cu2O薄膜较厚，使得Cu2O薄膜内部的光生电荷的传输距离变长，不利于光生电荷传输至固液界面参与产氢反应。本实施例中令沉积电量为0.6C，可得到1μm左右厚度的Cu2O薄膜(如图5所示)，一方面可使得Cu2O薄膜充分吸收太阳光，另一方面可使得光生电荷传输至固液界面参与产氢反应，提供产氢效率。
若沉积电流过大，还原性太强，容易生成Cu单质；无哦沉积电流过小，容易得到CuO杂质。而本实施例中，令沉积电流约为0.6mA，顺利生成Cu2O 薄膜。
S108、配置Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Ni(OH)2的生长液。
进一步的，如图3所示，其本发明实施例所提供的光阴极制备方法另一种框图，配置Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Ni(OH)2的生长液包括：
S1081、将20mL的0.8mol/L的硫酸镍水溶液与20mL的1.6mol/L的氢氧化钠水溶液混合，制备出Ni(OH)2的生长液。
本实施例中，2价镍离子需要两个OH-，因此氢氧化钠的摩尔比是硫酸镍摩尔比的2倍。
S109、将生长有Cu2O的生长基底放置在Ni(OH)2的生长液中，生长出 Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极。
如图4和图5所示，图4为本发明实施例所提供的Cu2O/Ni(OH)2复合结构的一种SEM图片，图5为本发明实施例所提供的Cu2O/Ni(OH)2复合结构的另一种SEM图片，从图4所示出的俯视图中，可以看出Ni(OH)2晶体呈片状，均匀的覆盖在Cu2O薄膜表面之上，其长度约为3μm，其厚度约为1.2μm。片状结构的Ni(OH)2可大幅提高Cu2O/Ni(OH)2复合结构的比表面积，促进固液界面处产氢反应的进行。从图5所示出的剖视图中，可以看到Cu2O晶粒的生长方向大概与FTO生长基底垂直，晶粒棱角分明但相互交叠，形成致密的 Cu2O薄膜。
进一步的，将生长有Cu2O的生长基底放置在Ni(OH)2的生长液中包括：
将生长基底生长有Cu2O的一面向下倾斜并浸入至Ni(OH)2的生长液中。
需要说明的是，将生长有Cu2O的一面朝下，可利于在Ni(OH)2的晶种在上面着床，利于Ni(OH)2覆盖在Cu2O薄膜之上。生长有Cu2O薄膜的生长基底与放置有Ni(OH)2的生长液容器的内壁之间具有一夹角α，该夹角0°<α≤90°。在Ni(OH)2的生长过程中，会有沉淀的杂质产生，当生长基底与内壁之间形成一夹角后，可使得杂质逐渐沉淀至生长液中，避免落在生长基底上，影响 Ni(OH)2的晶种着床。
示例性的，本实施例可采用水热法在生长有Cu2O的生长基底上生长 Ni(OH)2，具体的：
在水热反应釜内填充80％的Ni(OH)2生长液，并加热至180℃反应4小时，即可得到Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极，具体结构可参照图4至图5 所示。
下面对其原理进行解释：
Cu2O吸收可见光后，产生光生电子空穴对，光生空穴在外电场作用下，通过外电路到达Pt对电极表面，参与水的氧化反应产生氧气。由于Ni2+/Ni 的电位(-0.23V vs.NHE)低于Cu2O的导带位置，光生电子流向Ni(OH)2，将Ni2+还原成Ni0原子，形成金属Ni颗粒。金属Ni颗粒起到析氢催化剂的作用，通过自身价态的转变(从Ni0到Ni2+)将电子传递给H+，生成H2，从而提高了光阴极的光转氢效率。在Cu2O表面生长的Ni(OH)2可以有效抑制Cu 单质的析出，从而减弱发生在Cu2O表面的光还原反应(从Cu2O到Cu0)，提高了光阴极的抗光腐蚀能力。
本实施例中，NHE可理解为标准氢电极。
本实施例中，通过构建Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极，在Cu2O结构中在表面沉积了Ni(OH)2，由于Ni2+/Ni的电位(-0.23V vs.NHE)低于Cu2O 的导带位置，光生电子流向Ni(OH)2，将Ni2+还原成Ni0原子，形成金属Ni 颗粒。金属Ni颗粒起到析氢催化剂的作用，通过自身价态的转变(从Ni0到 Ni2+)将电子传递给H+，生成H2，从而提高了Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极的光转氢效率。另外，附着在Cu2O薄膜表面的Ni(OH)2纳米片抑制了Cu单质的生长，从而提高了光阴极的抗光腐蚀能力。
本发明还提供一种Cu2O光阴极，作为Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极的对比，验证Cu2O/Ni(OH)2复合结构提高了光转氢效率，并且增强了Cu2O的抗光腐蚀能力。
Cu2O光阴极的制备方法如下：将FTO玻璃切成规格为10mm×15mm的小片，并清洗干净，清洗步骤可参照上述相关描述。清洗完成后，可对FTO 生长基底进行干燥，示例性的，可用氮气吹干，并放入80℃的烘箱中烘干。对生长基底进行干燥可去除水分以及清洗溶液的残留，避免其对后续生长溶液的破坏。将0.1mol/L的CuSO4溶液与等体积的3mol/L乳酸水溶液混合，制备出乳酸合铜络离子混合液。将4mol/L的NaOH溶液逐滴滴入至乳酸合铜络离子混合液中，使乳酸合铜络离子混合液的pH为12，制备出Cu2O的生长液。并通过恒流法制备出Cu2O光阴极，其中沉积电流可为0.6mA，沉积时间可为1000s，根据沉积电量Q＝电流I×时间t，则沉积电量同样为0.6C。
本发明还提供一种光电化学电池，光电化学电池包括光阴极、对电极和电解液，根据上述光阴极制备方法，制备出来包含Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光电化学电池和包含Cu2O光阴极的电化学电池，并采用三电极系统测试上述两者光阴极的光电化学性能，其中，分别以制备的Cu2O/Ni(OH)2复合结构和 Cu2O作为工作电极(光阴极)，以铂丝为对电极，采用饱和Ag/AgCl作为参比电极(0.1976V相对于标准氢电极)，将AM 1.5G滤光片作为光源，该电解液是0.5mol/L的硫酸钠水溶液。
下面对二者的性能进行测试：
根据图6和图7所示，其中，图6为本发明实施例所提供的Cu2O光阴极和Cu2O/Ni(OH)2复合结构的J-V曲线，图7为本发明实施例所提供的Cu2O 光阴极和Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光转氢效率和偏压的关系曲线，在图6中，光照强度为100mW/cm2时的二者J-V曲线，横坐标表示相对于Ag/AgCl参比电极的电压值，纵坐标表示电流密度。从图6中可看出，Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极在0V到-0.55V范围内的光电流密度高于Cu2O光阴极，其在-0.55 V vs.Ag/AgCl处的光电流密度达到1.71mA/cm2，高于同等电压下Cu2O光阴极的电流密度(1.61mA/cm2)。并且Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极的光电流开启电压大幅减小，相对于Cu2O光阴极-0.43V vs.Ag/AgCl的开启电压， Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极的开启电压减小到-0.1V vs.Ag/AgCl，可以用更小的电能就能驱动反应的进行。本实施例中，Ni(OH)2纳米片的引入提高了 Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极的比表面积，增强了固液界面处的反应活性，利于提高光转氢效率。另外，Ni2+/Ni的电极电势的位置要比的Cu2O导带位置稍微低一些，同时又要比H+/H:的电极电势的位置(2H++2e-＝H2，E0＝-0.00V) 高一些。这就使得Cu2O导带的电子可以转移到Ni(OH)2上，将Ni2+的颗粒还原为Ni，而Ni颗粒可协助电荷的分离同时还可作为光催化产氢的助催化剂，从而提高了光催化分解水产氢的活性。另外，附着在Cu2O薄膜表面的Ni(OH)2纳米片抑制了Cu单质的生长，从而提高了光阴极的抗光腐蚀能力。
结合图6和图7所示，光电流效率可根据图6所示出的J-V曲线并经过公式 (1)计算得到，该光电效率η的转换公式如下：
η＝JVRHE/P (1)
其中，J是光电流密度，P是入射光光功率，VRHE是相对于标准氢电极的电压值，上述光电效率η可由公式(2)得到，
VRHE＝VAg/AgCl+0.0592pH+0.1967 (2)
其中，VAg/AgCl是相对于Ag/AgCl参比电极的电压值。
如图7所示，Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极的光转氢效率明显高于Cu2O 光阴极，在-0.41V vs.Ag/AgCl偏压下达到峰值0.20％，是Cu2O光阴极最高转换效率(在-0.53Vvs.Ag/AgCl偏压的转换效率为0.09％)的2倍多。
本发明实施例中，通过构建Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极，在Cu2O 结构中在表面沉积了Ni(OH)2，由于Ni2+/Ni的电位(-0.23V vs.NHE)低于 Cu2O的导带位置，光生电子流向Ni(OH)2，将Ni2+还原成Ni0原子，形成金属 Ni颗粒。金属Ni颗粒起到析氢催化剂的作用，通过自身价态的转变(从Ni0到Ni2+)将电子传递给H+，生成H2，从而提高了Cu2O/Ni(OH)2复合结构光阴极的光转氢效率。另外，附着在Cu2O薄膜表面的Ni(OH)2纳米片抑制了 Cu单质的生长，从而提高了光阴极的抗光腐蚀能力。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光阴极制备方法，其特征在于，包括：
制备Cu2O/Ni(OH)2复合结构的生长基底；
配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Cu2O的生长液；
在所述生长基底上生长Cu2O；
配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Ni(OH)2的生长液；
将生长有Cu2O的生长基底放置在所述Ni(OH)2的生长液中，生长出Cu2O/Ni(OH)2复合结构的光阴极。
2.根据权利要求1所述的光阴极制备方法，其特征在于，所述配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Cu2O的生长液包括：
将0.1mol/L的CuSO4溶液与等体积的3mol/L乳酸水溶液混合，制备出乳酸合铜络离子混合液；
将4mol/L的NaOH溶液逐滴滴入至所述乳酸合铜络离子混合液中，使所述乳酸合铜络离子混合液的pH为12，制备出Cu2O的生长液。
3.根据权利要求1所述的光阴极制备方法，其特征在于，所述配置所述Cu2O/Ni(OH)2复合结构中Ni(OH)2的生长液包括：
将20mL的0.8mol/L的硫酸镍水溶液与20mL的1.6mol/L的氢氧化钠水溶液混合，制备出Ni(OH)2的生长液。
4.根据权利要求1所述的光阴极制备方法，其特征在于，所述制备Cu2O/Ni(OH)2复合结构的生长基底包括：
将FTO玻璃切成规格为10mm×15mm的小片，每一个小片作为一个所述生成基底。
5.根据权利要求1所述的光阴极制备方法，其特征在于，还包括：
清洗所述生长基底。
6.根据权利要求5所述的光阴极制备方法，其特征在于，所述清洗所述生长基底的方法包括：
将所述生长基底浸泡在去离子水中，超声清洗5分钟；
将浸泡在所述去离子水中的所述生长基底取出，浸泡在丙酮溶液中，超声清洗5分钟；
将浸泡在所述丙酮溶液中的所述生长基底取出，浸泡在乙醇溶液中，超声清洗5分钟；
将浸泡在所述乙醇溶液中的所述生长基底取出，浸泡在异丙醇溶液中，超声清洗5分钟。
7.根据权利要求6所述的光阴极制备方法，其特征在于，
用于超声清洗的所述去离子水、所述丙酮溶液、所述乙醇溶液和所述异丙醇溶液的浓度均为100％。
8.根据权利要求1所述的光阴极的制备方法，其特征在于，所述将生长有Cu2O的生长基底放置在所述Ni(OH)2的生长液中包括：
将所述生长基底生长有Cu2O的一面向下倾斜并浸入至所述Ni(OH)2的生长液中。
9.一种光阴极，其特征在于，所述光阴极由上述权利要求1至8任一项所述的光阴极制备方法制备出。
10.一种光电化学电池，其特征在于，所述光电化学电池包括光阴极、对电极和电解液，所述光电化学电池所包括的光阴极为利用上述权利要求1至8任一项所述的光阴极制备方法制备出的光阴极。
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