CN109750311A - 光电化学水裂解 - Google Patents

光电化学水裂解 Download PDF

Info

Publication number
CN109750311A
CN109750311A CN201811300081.1A CN201811300081A CN109750311A CN 109750311 A CN109750311 A CN 109750311A CN 201811300081 A CN201811300081 A CN 201811300081A CN 109750311 A CN109750311 A CN 109750311A
Authority
CN
China
Prior art keywords
conductive layer
electrode
connector
substrate
pec
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811300081.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109750311B (zh
Inventor
S·萨奇德夫
T·贝拉
R·M·巴达
U·斯里瓦斯塔瓦
A·沙玛
G·K·阿查亚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
INDIAN PETROLEUM CO Ltd
Indian Oil Corp Ltd
Original Assignee
INDIAN PETROLEUM CO Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by INDIAN PETROLEUM CO Ltd filed Critical INDIAN PETROLEUM CO Ltd
Publication of CN109750311A publication Critical patent/CN109750311A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109750311B publication Critical patent/CN109750311B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C25B11/053—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate characterised by multilayer electrocatalytic coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
    • C25B1/55—Photoelectrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/067—Inorganic compound e.g. ITO, silica or titania
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/087—Photocatalytic compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/50—Cells or assemblies of cells comprising photoelectrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/069—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of at least one single element and at least one compound; consisting of two or more compounds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

本发明涉及光电化学水裂解，更具体地，公开了一种电极(300、400、500)。所述电极(300、400、500)包括衬底(302)。此外，所述电极(300、400、500)包括设置在所述衬底(302)上的第一导电层(304)。所述第一导电层(304)由氧化铟锡(ITO)和氟掺杂的氧化锡(FTO)中的至少一种形成。所述电极(300、400、500)还包括设置在所述第一导电层(304)上的至少一个半导体层(308、502)。此外，所述电极(300、400、500)包括分布于所述第一导电层(304)上且适于传导来自所述电极(300、400、500)的电流的至少一个连接器(120、402、504)。

Description

光电化学水裂解
技术领域
本发明涉及水裂解，具体地涉及一种光电化学(PEC)模块和用于执行PEC水裂解的方法。
背景技术
水裂解是指将水分解为氧和氢的化学反应。目前，采用如光电化学(PEC)水裂解的工艺来分解水，由此产生氢气。PEC水裂解工艺包括设置在电解质溶液中的半导体电极。提供半导体电极以将太阳能直接转换成化学能来分解水。具体地说，半导体电极将太阳能转换成电子空穴对以进行氧化还原反应用于水裂解。
一般说来，半导体电极可由宽带半导体材料或窄带半导体材料制成。采用宽带半导体材料的半导体电极能够在太阳能存在下执行水裂解，而无需来自外部电压电源的任何辅助。然而，宽带半导体材料不能利用大部分太阳光谱来执行水裂解。
此外，采用窄带半导体材料的半导体电极能够利用大部分的太阳光谱。然而，窄带半导体材料不能生成水裂解所需的足够电压。因此，采用窄带半导体材料的半导体电极需要外部电压电源用于提供足够的电压来执行水裂解。另外，各种高效材料如硅和III-V半导体(铝、镓、砷化物等)可用于半导体电极中。然而，这种高效材料在电解质如强电解质中是不稳定的，这使得这种高效材料在半导体电极中的使用不可行。因此，为了有效和高效地执行水裂解，需要半导体电极的按几何比例放大。
然而，半导体电极的按几何比例放大由于电阻损失而并不合适。具体地说，半导体电极包括由导电材料制成的衬底。一般说来，这种导电材料具有高的薄层电阻率，如果半导体电极的尺寸增加，这将造成电阻损失的增加。此外，半导体电极的电阻损失可造成通过半导体电极从太阳光谱利用的电流的减少。
美国专利7,459,065(以下简称’065专利)公开了一种用于制氢的大规模系统，其中用于水分解的能量主要获自浸没到电解质中的光电模块。申请’065公开了一种使用日光(光电解)由水的分解生成氢气的装置。所述系统利用充满水性流体的容器，其既用于装待分解的水，也用作集光透镜。光伏模块被定位在最高效地接收来自充满液体的容器的折射光的位置处。将耦合到光伏模块的一对电极设置在流体中并且被配置来将水裂解为氢和氧。然而，’065专利中所公开的光伏模块当浸没于有待分解的水中时是不稳定的。
美国专利申请2004/0003837(以下简称’837申请)公开了一种集成式光伏-光电化学装置。’837申请公开了光伏-光电化学装置，其各自包括二极管和多个单独的光电阴极元件。优选地，将装置定位于容器中，在所述容器中装置至少部分地浸没于电解质中。优选地，将装置定位于具有至少一个光电阴极反应产物出口和至少一个阳极反应产物出口的容器中。优选地，将所述装置定位于容器中，所述容器具有从容器顶部向容器底部延伸但未达到容器底部的内部部分壁，所述内部部分壁被定位在光电阴极元件与阳极元件之间，所述阳极元件电连接到二极管的p-区域。然而，需要用于制造供水裂解用的装置的复杂工艺。
发明内容
在本公开的一个实施方案中，提供了一种电极。所述电极包括衬底。所述电极还包括设置在该衬底上的第一导电层。第一导电层由氧化铟锡(ITO)和氟掺杂的氧化锡(FTO)中的至少一种形成。所述电极包括设置在所述第一导电层上的至少一个半导体层。此外，所述电极包括分布在所述第一导电层上的至少一个连接器。所述至少一个连接器适于传导来自该电极的电流。
在本公开的另一实施方案中，公开了一种用于执行水裂解的光电化学(PEC)模块。PEC模块包括衬底和排列在该衬底上的多个电极。该多个电极中的每一个包括设置在所述衬底上的第一导电层。此外，所述多个电极中的每一个包括设置在所述第一导电层上的至少一个半导体层。PEC模块包括适于连接所述多个电极的至少一个连接器。此外，所述至少一个连接器适于传导来自所述多个电极中的每一个的电流。
在本公开的又一个实施方案中，公开了一种执行光电化学(PEC)水裂解的方法。所述方法包括通过PEC模块的多个电极接收一部分太阳光谱。所述方法包括将所述一部分太阳光谱转换成电流。所述多个电极中的每一个包括衬底和设置在所述衬底上的第一导电层。此外，所述多个电极中的每一个包括设置在所述第一导电层上的至少一个半导体层。所述多个电极中的每一个包括分布在所述第一导电层上的至少一个连接器。此外，所述方法包括通过所述至少一个连接器传导基于所述一部分太阳光谱的电流。所述方法包括基于所述电流，通过所述PEC模块执行水裂解。
为了进一步阐明本发明的优点和特征，参考附图中示出的特定实施方案将给出本发明的更具体的描述。应当理解，这些附图仅仅描绘了本发明的典型实施方案，因此不能视作对本发明范围的限制。通过使用附图将更加明确而详细地说明和阐述本发明。
附图说明
参照附图阅读以下详细说明时将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中，相同的标记始终表示相同的部分，其中：
图1a示出了根据本公开的一个实施方案的用于执行光电化学(PEC)水裂解的系统的示意图；
图1b示出了根据本公开的一个实施方案的系统的俯视图；
图1c示出了根据本公开的一个实施方案的系统的左视图；
图1d示出了根据本公开的一个实施方案的系统的主视图；
图1e示出了根据本公开的一个实施方案的系统的右视图；
图1f示出了根据本公开的一个实施方案的系统的膜组件的一个视图；
图1g示出了根据本公开的一个实施方案的系统的对电极的一个视图；
图2示出了根据本公开的一个实施方案的系统的PEC模块的示意图；
图3a示出了根据本公开的一个实施方案的PEC模块的电极的示意图；
图3b示出了根据本公开的一个实施方案的沿着图3a的轴线X-X’截取的电极的剖视图；
图3c示出了根据本公开的一个实施方案的沿着图3a的轴线Y-Y’截取的电极的剖视图；
图4示出了根据本公开的另一个实施方案的PEC模块的电极的示意图；
图5示出了根据本公开的又一个实施方案的PEC模块的电极的示意图；并且
图6示出了根据本公开的一个实施方案的描绘执行PEC水裂解的方法的流程图。
此外，本领域技术人员应能够理解为简单明了起见而示出图中的元件，并且不必按照比例绘制。例如，流程图根据所涉及的最突出的步骤示出了方法以便于更好地理解本发明的方面。此外，根据装置的构造，装置的一个或多个组件在附图中可由传统符号表示，并且附图可仅示出有关理解本发明的实施方案的那些特定细节，以便不会因为那些受益于这里的描述的本领域的普通技术人员显而易见的细节而使附图难以理解。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中示出的实施方案，并且将采用具体语言对其进行描述。然而，应理解这并不是要限制本发明的范围，在图示系统中这样的变更和进一步的修改、以及其中所示的本发明原理的这样的进一步应用都是本发明所属领域的技术人员所明白的。除非另外定义，本文所用的全部技术和科学术语都具有与本发明相关领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。本文所提供的系统、方法和实施例仅为说明性的且不意图限制。
下面将参考附图详细地描述本发明的实施方案。
图1a示出了根据本公开的一个实施方案的用于执行光电化学(PEC)水裂解的系统100的示意图。图1b、1c、1d和1e示出了根据本公开的实施方案的系统100的不同视图。参看图1a、1b、1c、1d和1e，系统100可适于执行PEC水裂解以产生氢气和氧气。系统100可包括储槽102和与储槽102连通的多个隔室。在一个实施方案中，所述多个隔室可包括第一隔室104和第二隔室106。第一隔室104可以通过入口103填充电解质110，并且可与第二隔室106流体连通。在一个实施方案中，第一隔室104与第二隔室106可通过防漏回转接头108或本领域中已知的任何其他合适的机构彼此连接，而不偏离本公开的范围。
参看图1f，在一个实施方案中，第一隔室104与第二隔室106可通过膜107流体连通。膜107可适于防止第一隔室104与第二隔室106之间的气体流动。在一个实施例中，膜107可为质子交换膜，如Nafion膜。此外，膜107可通过膜支架109定位于系统100中。膜支架109可设有孔，并且可经由硅O形环定位于第一隔室104与第二隔室106之间。膜107和膜支架109可统称为膜组件，而不偏离本公开的范围。
此外，储槽102可与第二隔室106流体连通。储槽102可适于储存电解质溶液110，且适于保持第一隔室104和第二隔室106中的电解质溶液110的水平。在一个实施方案中，电解质溶液110可具体为水基电解质溶液或本领域中已知的任何其他水溶液中的一种，而不偏离本公开的范围。
第二隔室106可适于从储槽102接收电解质溶液110。第二隔室106可包括第二出口114以容许来自第二隔室106的气体流动，并且还可包括入口105，用于用电解质溶液110填充自身。
参看图1a-1g，系统100可包括定位于第一隔室104中的PEC模块116和定位于第二隔室106中的对电极118(如图1g所示)。PEC模块116可与对电极118连通。在一个实施方案中，PEC模块116可通过连接器120与对电极118连通。在一个实施例中，连接器120可具体为金属连接器。连接器120可适于传导PEC模块116与对电极118之间的电流。在一个实施方案中，对电极118可由铂或镍形成。
PEC模块116可适于接收一部分太阳光谱122。在一个实施方案中，PEC模块116可通过在第一隔室104中形成的石英窗101(图1)接收该一部分太阳光谱122。此外，PEC模块116可适于将该一部分太阳光谱122转换成电能以用于分解电解质溶液110。PEC模块116的结构和操作细节详细说明于本公开的图2的描述中。
图2示出了根据本公开的一个实施方案的系统100的PEC模块116的示意图。PEC模块116可包括衬底202和排列在衬底202上的多个电极204。多个电极204可互换地称为工作电极204，而不偏离本公开的范围。
在一个实施方案中，工作电极204可以矩阵(m x n)形式排列在衬底202上。在这样的实施方案中，术语‘m’和‘n’分别表示沿着矩阵的列和行排列的工作电极204的数量。在一个实施方案中，PEC模块116可包括至少一个连接器，如连接器120，其适于连接多个电极204并且适于传导来自多个电极204中的每一个的电流。在一个实施方案中，工作电极204可通过连接器120彼此电连接。更具体地说，工作电极204可通过连接器120电连接到对电极118。工作电极204中的每一个的结构和操作细节详细说明于图3a、图3b、图3c、图4和图5的描述中。
参看图1a-1g和图2，PEC模块116可适于分解电解质溶液110以产生气体。更具体地，PEC模块116的工作电极204可分解电解溶液110以生成电流并产生气体。接收一部分太阳光谱122后，PEC模块116可通过引发电解质溶液110中的氧化反应或还原反应而分解电解质溶液110以产生气体。
在一个实施方案中，PEC模块116可在第一隔室104中分解电解质溶液110以产生氧气。更具体地说，PEC模块116的工作电极204中的每一个可在第一隔室104中通过引发如以下提及的方程式(1)所示的氧化反应分解电解质溶液110以产生氧气：
H2O+2H+→2H++1/2O2↑---------------------------------------(1)
在这样的实施方案中，PEC模块116在接收一部分太阳光谱122后也可产生电流。对电极118可通过连接器120接收来自PEC模块116的电流。在接收到电流后，对电极118可通过引发电解质溶液110中的氧化反应或还原反应而在第二隔室106中分解电解质溶液110以产生气体。对电极118可在第二隔室106中分解电解质溶液110以产生氢气，如由以下提及的方程式(2)所示：
2H++2e-→H2↑---------------------------------------(2)
在另一实施方案中，PEC模块116可在第一隔室104中分解电解质溶液110以产生氢气。更具体地说，PEC模块116的工作电极204中的每一个可通过引发如以下提及的方程式(3)所示的还原反应而在第一隔室104中分解电解质溶液110以产生氢气：
2H2O++2e-→2OH++H2↑---------------------------------------(3)
在这样的实施方案中，对电极118可在第二隔室106中分解电解质溶液110以产生氧气。
再次参看图1a-1e，在一个实施方案中，系统100可包括与PEC模块116和对电极118连通的光伏模块124。光伏模块124可适于接收吸收一部分太阳光谱127以产生电流。除通过PEC模块116接收的一部分太阳光谱122外，光伏模块124还可适于通过连接器120向PEC模块116提供附加偏压。
在一个实施方案中，系统100还可包括与光伏模块124连通的充电控制器126、与充电控制器126连通的至少一个电池128、以及与至少一个电池128连通的供电单元130。充电控制器126可适于控制所述至少一个电池128的充电速率和放电速率。在一个实施方案中，充电控制器126可控制电流从光伏模块122向至所述少一个电池128的流动，以防止所述至少一个电池128的过度充电。此外，供电单元130可适于将来自所述至少一个电池的电流以所需输出电压供应给PEC模块116。
为了简明且更好的理解起见，本公开相对于PEC模块116的仅一个工作电极进行说明。如本领域技术人员应理解的那样，对一个工作电极的描述同样地适用于PEC模块116的其他工作电极，而不偏离本公开的范围。
图3a示出了根据本公开的一个实施方案的PEC模块116的工作电极300的示意图。图3b示出了根据本公开的一个实施方案的沿着图3a的轴线X-X’截取的工作电极300的剖视图。图3c示出了根据本公开的一个实施方案的沿着图3a的轴线Y-Y’截取的工作电极300的剖视图。
参看图3a、3b和3c，工作电极300可包括衬底302、设置在衬底302上的第一导电层304、及设置在第一导电层304上的连接器，如连接器120。在一个实施例中，衬底302可具体为玻璃衬底。在一个实施方案中，第一导电层304可由氧化铟锡(ITO)和氟掺杂的氧化锡(FTO)中的至少一种形成。
连接器120可分布在第一导电层304上。在一个实施方案中，连接器120可具体为金属连接器。连接器120可适于传导来自工作电极300的电流。连接器120可通过第二导电层306粘附至第一导电层304。第二导电层306可设置在第一导电层304上。
更具体地说，第二导电层306可沉积在第一导电层304上以将连接器120粘附在第一导电层304上。在一个实施例中，第二导电层304可具体为银漆。在另一个实施例中，第二导电层304可具体为本领域中已知的任何其他导电粘合剂，而不偏离本公开的范围。此外，工作电极300可包括在连接器120与第一导电层304之间的欧姆接触。在一个实施方案中，欧姆接触可通过将连接器120经由第二导电层306接合至第一导电层304而形成。第一导电层304与连接器120之间的欧姆接触容许电荷载流子流动到连接器120。
此外，工作电极300可包括设置在衬底302上的半导体层308。在一个实施方案中，半导体层308可设置在第一导电层304上。半导体层308可由光活性半导体材料形成。在一个实施例中，光活性半导体材料可为n型半导体和p型半导体中的一种。在一个实施例中，光活性半导体材料可具体为n型半导体。在这样一个实施例中，工作电极300可在第一隔室104中分解电解质溶液110以产生氢气。在另一个实施例中，光活性半导体材料可具体为p型半导体。在这样一个实施例中，工作电极300可在第一隔室104中分解电解质溶液110以产生氧气。
在一个实施方案中，半导体层308可具体为薄膜半导体材料。半导体层308可通过使用本领域中已知的各种沉积技术沉积在衬底302上，而不偏离本公开的范围。各种沉积技术可包括但不限于物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积、电沉积、分子束外延(MBE)和喷雾热解。
在一个实施方案中，第一导电层304的一定数量的部分可在半导体层308沉积在涂覆有第一导电层304的衬底302上之前被掩蔽。具体地说，可在第一导电层304上掩蔽该数量的部分，用于在连接器120与涂覆有第一导电层304的衬底302之间形成欧姆接触。在另一实施方案中，第一导电层304的该数量的部分可在半导体层308沉积在衬底302上之后被掩蔽。具体地说，可掩蔽该数量的部分以防止经由电解质溶液110与半导体层308之间的欧姆接触所致的接合点的短路。
在一个实施方案中，半导体层308可适于接收一部分太阳光谱122以生成电荷载流子。电荷载流子可由连接器120收集，所述连接器120粘附到第一导电层304并且与半导体层308接触。由连接器120收集的电荷载流子可产生电流，所述电流进一步通过连接器120供应给对电极118。
此外，工作电极300可包括绝缘层310以屏蔽连接器120。可提供绝缘层310以将工作电极上的连接器120与电解质溶液110屏蔽。在一个实施方案中，绝缘层310可沉积在连接器120中。绝缘层310可具体为环氧树脂或本领域中已知的任何其他绝缘材料，而不偏离本公开的范围。此外，可提供绝缘层310以屏蔽第一导电层304可能暴露于电解质溶液110的部分。
图4示出了根据本公开的另一个实施方案的PEC模块116的工作电极400的示意图。类似于图3a-3c的工作电极300，工作电极400包括衬底302、设置在衬底302上的第一导电层304、设置在第一导电层304上的半导体层308、第二导电层306、及绝缘层310。
然而，本发明实施方案的工作电极400包括设置在第一导电层304上的一对连接器402。一对连接器402可通过第二导电层306粘附到衬底302。在一个实施例中，第二导电层306可具体为银漆。在另一个实施例中，第二导电层306可具体为本领域中已知的任何其他导电粘合剂，而不偏离本公开的范围。在一个实施方案中，一对连接器402中的每一个可通过第二导电层304沿衬底302的长度‘L’粘附于衬底302的边缘部分上。在一个实施方案中，设置在工作电极400上的一对连接器402可被连接到系统100的连接器120上。
此外，工作电极400可包括在一对连接器402与第一导电层304之间的一对欧姆接触。在一个实施方案中，一对欧姆接触中的每一个可通过将一对连接器402中的每一个经由第二导电层306接合至第一导电层304而形成。第一导电层304与一对连接器402之间的一对欧姆接触容许电荷载流子从半导体层308流到一对连接器402。由一对连接器402收集的电荷载流子可产生电流，所述电流进一步通过连接器120供应给对电极118。
图5示出了根据本公开的又一个实施方案的PEC模块116的工作电极500的示意图。类似于工作电极300和400，工作电极500包括衬底302、设置在衬底302上的第一导电层304、和绝缘层310。工作电极500可具有长度‘L’和宽度‘W’。工作电极500的宽度‘W’可互换地称为第一宽度‘W’，而不偏离本公开的范围。
然而，本发明实施方案的工作电极500包括多个半导体层502和多个连接器504。工作电极500包括多个半导体层502的图案化沉积。多个半导体层502中的每一个可相邻地排列于第一导电层304上。更具体地说，多个半导体层502中的每一个可通过掩蔽第一导电层304的一定数量的部分以形成多个欧姆接触而沉积在涂覆有第一导电层304的衬底302上。
此外，多个半导体层502中的每一个可具有宽度(如第二宽度W1)和长度L。第二宽度‘W1’的值可基于与工作电极500有关的第一组参数来选择。第一组参数可包括但不限于与工作电极500有关的电阻损失的值。在一个实施方案中，第二宽度‘W1’的最大值可保持恒定，这取决于电阻损失。第二宽度‘W1’小于衬底302的第一宽度‘W’。在一个实施方案中，工作电极500的第一宽度‘W’的值可基于有待沉积于工作电极500的衬底304上的半导体层502的数量来选择。此外，工作电极500的长度‘L’可基于第二组参数来选择。第二组参数可包括但不限于与系统100有关的一组尺寸参数和与系统100有关的一组操作参数。
此外，工作电极500可包括在多个连接器504与第一导电层304之间的多个欧姆接触。在一个实施方案中，每个欧姆接触可通过将多个连接器504中的每一个经由第二导电层306接合至第一导电层304而形成。第一导电层304与多个连接器504之间的多个欧姆接触容许电荷载流子从多个半导体层502流到多个连接器504。由多个连接器504收集的电荷载流子可产生电流，所述电流进一步通过连接器120供应给对电极118。
此外，工作电极500可包括分布在第一导电层304上的多个连接器504。多个连接器504中的每一个可以以隔开等于多个半导体层502中的每一个的第二宽度‘W1’的距离排列。多个连接器504和多个半导体层502在衬底302上的这样一种排列可减少与电荷载流子从多个半导体层502流到多个连接器504有关的电阻损失。例如，在接收到一部分太阳光谱122后，多个半导体层502中的每一个可产生电荷载流子。因为多个连接器504中的每一个以隔开等于第二宽度‘W1’的距离粘附，所以电荷载流子从半导体层502中的每一个行进到多个连接器504中的每一个的距离减少。由此，大体上消除了与电荷载流子的流动有关的电阻损失。
图6示出了根据本公开的一个实施方案的描绘执行PEC水裂解的方法600的流程图。为了简明起见，已在图1a-1g、图2、图3a-3c、图4和图5的描述中详细说明的系统100的特征不在图6的描述中详细说明。
在方框602处，方法600包括通过PEC模块116的多个电极300、400、500接收一部分太阳光谱122。PEC模块116定位于用电解质溶液110填充的第一隔室104中。在方框604处，方法600可包括通过多个电极300、400、500将一部分太阳光谱122转换成电流。多个电极300、400、500中的每一个可包括衬底302和设置在衬底302上的第一导电层304。此外，多个电极300、400、500可包括设置在第一导电层304上的至少一个半导体层308、502，和分布在第一导电层304上的至少一个连接器120、402、504。在接收一部分太阳光谱122后，至少一个半导体层308、502可产生电荷载流子以生成电流。
在方框606处，方法600可包括通过至少一个连接器120、402、504传导基于一部分太阳光谱122的电流。至少一个连接器120、402、504可通过第二导电层306粘附到衬底302上的第一导电层304。至少一个连接器120、402、504可接收来自至少一个半导体层308、502的电荷载流子。在方框608处，方法600可包括通过PEC模块116基于电流执行水裂解。在接收一部分太阳光谱122后，PEC模块116可通过引发电解质溶液110中的氧化反应或还原反应来分解电解质溶液110以产生气体。
如所见，本公开提供了一种工作电极300、400、500，PEC模块116，和执行水裂解的方法600。工作电极300、400、500可设有多个半导体层502在衬底302上的图案化沉积。更具体地说，多个半导体层502中的每一个可在衬底302上的第一导电层304上相邻排列。此外，工作电极300、400、500可包括在衬底302的多个连接器504与第一导电层304之间形成的多个欧姆接触。由于多个欧姆接触和多个半导体层502的图案化排列，工作电极300、400、500可提供均匀的电位分布和电阻损失的显著减少。
此外，本公开的PEC模块116包括多个工作电极300、400、500。更具体地说，多个工作电极300、400、500可分布在PEC模块116的衬底302上。多个工作电极300、400、500可通过连接器504彼此电连接。多个工作电极300、400、500中的每一个可适于接收一部分太阳光谱122，由此产生电荷载流子并分解电解质溶液110。由于PEC模块116中的多个工作电极300、400、500，所以PEC模块116消除了对用于提供附加偏压以分解电解质溶液118来产生气体的光伏模块124的要求。由于PEC模块116中的多个电极，可在不需要单个工作电极按几何比例放大的情况下有效且高效地进行水裂解。由此消除了按几何比例放大的要求，消除了发生与工作电极的按几何比例放大有关的电阻损失的任何可能性。因此，本公开提供了能有效地、经济地、灵活地且高效地执行水裂解的电极300、400、500，PEC模块116和方法600。
虽然已使用具体语言来描述本发明的主题，但并不意味着对其形成任何限制。如本领域技术人员显而易见的那样，可对所述方法作出各种操作修改以实施如本文所教导的发明构思。附图和以上描述给出实施方案的实施例。本领域技术人员应理解，一个或多个所述元件也可被组合成单个功能元件。或者，某些元件可分成多个功能元件。来自一个实施方案的元件可添加到另一个实施方案中。

Claims (9)

1.一种电极(300、400、500)，其包括：
衬底(302)；
设置在所述衬底(302)上的第一导电层(304)，其中所述第一导电层(304)由氧化铟锡(ITO)和氟掺杂的氧化锡(FTO)中的至少一种形成；
设置在所述第一导电层(304)上的至少一个半导体层(308、502)；及
分布于所述第一导电层(304)上且适于传导来自该电极(300、400、500)的电流的至少一个连接器(120、402、504)。
2.权利要求1所述的电极(300、400、500)，其还包括设置在所述第一导电层(304)上的第二导电层(306)，其中所述第二导电层(306)适于将所述至少一个连接器(120、402、504)粘附于所述第一导电层(304)上。
3.权利要求1所述的电极(300、400、500)，其还包括设置在所述第一导电层(304)上的多个半导体层(502)，其中所述多个半导体层(502)在所述第一导电层(304)上彼此相邻地排列。
4.权利要求1所述的电极(300、400、500)，其还包括分布于所述第一导电层(304)上的多个连接器(402、504)，其中所述多个连接器(402、504)中的每一个与所述至少一个半导体层(308、502)接触。
5.权利要求4所述的电极(300、400、500)，其还包括沉积在所述多个连接器(402、504)中的每一个上的绝缘层(310)。
6.权利要求1所述的电极(300、400、500)，其中所述至少一个半导体层(308、502)由光活性材料形成。
7.一种光电化学(PEC)模块(116)，用于执行水裂解，所述PEC模块(116)包括：
衬底(302)；
排列在所述衬底(302)上的多个电极(300、400、500)，所述多个电极(300、400、500)中的每一个包括：
设置在所述衬底(302)上的第一导电层(304)，及
设置在所述第一导电层(304)上的至少一个半导体层(308、502)；以及
至少一个连接器(120、402、504)，其适于连接所述多个电极且适于传导来自所述多个电极(300、400、500)中的每一个的电流。
8.权利要求7所述的PEC模块(116)，其中所述PEC模块(116)包括第二导电层(306)，所述第二导电层(306)适于将所述至少一个连接器(120、402、504)粘附于所述衬底(302)上。
9.一种用于执行光电化学(PEC)水裂解的方法(600)，所述方法(600)包括：
通过PEC模块(116)的多个电极(300、400、500)接收一部分太阳光谱；
通过所述多个电极(300、400、500)将所述一部分太阳光谱转换成电流，其中所述多个电极(300、400、500)中的每一个包括：
衬底(302)；
设置在所述衬底(302)上的第一导电层(304)；
设置在所述第一导电层(304)上的至少一个半导体层(308、502)；和
分布于所述第一导电层(304)上的至少一个连接器(120、402、504)；
通过所述至少一个连接器(120、402、504)传导基于所述一部分太阳光谱的电流；以及
通过所述PEC模块(116)执行基于所述电流的水裂解。
CN201811300081.1A 2017-11-07 2018-11-02 光电化学水裂解 Active CN109750311B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IN201721039690 2017-11-07
IN201721039690 2017-11-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109750311A true CN109750311A (zh) 2019-05-14
CN109750311B CN109750311B (zh) 2022-01-25

Family

ID=63787729

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811300081.1A Active CN109750311B (zh) 2017-11-07 2018-11-02 光电化学水裂解

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20190136390A1 (zh)
EP (1) EP3480341B1 (zh)
JP (1) JP6823784B2 (zh)
KR (1) KR102204022B1 (zh)
CN (1) CN109750311B (zh)
ES (1) ES2904901T3 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11641598B2 (en) * 2019-06-13 2023-05-02 Qualcomm Incorporated Device-to-device quality of service flow management
KR102513963B1 (ko) * 2021-01-12 2023-03-23 동서대학교 산학협력단 광전기화학 물분해(Photoelectrochemical water splitting)용 P(NDI2OD-T2)광전극 제조방법
KR102568691B1 (ko) * 2021-01-27 2023-08-21 인천대학교 산학협력단 광전기화학반응에 의하여 수소를 생성하는 광음극구조층 및 이의 제조방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1137840A (zh) * 1994-10-24 1996-12-11 中田仗祐 光电池、光电池阵列及其组成的电解装置
CN1849413A (zh) * 2003-06-27 2006-10-18 通用汽车公司 光电化学装置和电极
US20110245074A1 (en) * 2008-11-10 2011-10-06 Wilson Smith Photocatalytic structures, methods of making photocatalytic structures, and methods of photocatalysis
CN104159669A (zh) * 2012-03-08 2014-11-19 国立大学法人东京大学 光水分解反应用电极以及其制造方法
JP2015196869A (ja) * 2014-03-31 2015-11-09 イムラ・ジャパン株式会社 電極
JP2017160523A (ja) * 2016-03-11 2017-09-14 富士通株式会社 光化学電極

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040003837A1 (en) 2002-04-24 2004-01-08 Astropower, Inc. Photovoltaic-photoelectrochemical device and processes
JP2006508253A (ja) * 2002-11-27 2006-03-09 ザ・ユニバーシティ・オブ・トレド 液状電解物を有した集積型光電気化学とそのシステム
US7459065B2 (en) 2004-02-18 2008-12-02 General Motors Corporation Hydrogen generator photovoltaic electrolysis reactor system
WO2013152132A1 (en) * 2012-04-03 2013-10-10 The California Institute Of Technology Semiconductor structures for fuel generation
WO2015146012A1 (ja) * 2014-03-24 2015-10-01 株式会社 東芝 光電気化学セル、光電気化学セルの製造方法、および光電気化学反応装置
EP3204533B1 (en) * 2014-10-07 2020-09-16 Yeda Research and Development Co., Ltd. Water splitting method and system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1137840A (zh) * 1994-10-24 1996-12-11 中田仗祐 光电池、光电池阵列及其组成的电解装置
CN1849413A (zh) * 2003-06-27 2006-10-18 通用汽车公司 光电化学装置和电极
US20110245074A1 (en) * 2008-11-10 2011-10-06 Wilson Smith Photocatalytic structures, methods of making photocatalytic structures, and methods of photocatalysis
CN104159669A (zh) * 2012-03-08 2014-11-19 国立大学法人东京大学 光水分解反应用电极以及其制造方法
JP2015196869A (ja) * 2014-03-31 2015-11-09 イムラ・ジャパン株式会社 電極
JP2017160523A (ja) * 2016-03-11 2017-09-14 富士通株式会社 光化学電極

Also Published As

Publication number Publication date
CN109750311B (zh) 2022-01-25
JP6823784B2 (ja) 2021-02-03
KR20190051783A (ko) 2019-05-15
JP2019116681A (ja) 2019-07-18
EP3480341A1 (en) 2019-05-08
KR102204022B1 (ko) 2021-01-18
EP3480341B1 (en) 2021-12-01
US20190136390A1 (en) 2019-05-09
ES2904901T3 (es) 2022-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Andrei et al. Scalable triple cation mixed halide perovskite–bivo4 tandems for bias‐free water splitting
Coridan et al. Electrical and photoelectrochemical properties of WO3/Si tandem photoelectrodes
CN102713010B (zh) 氢生成设备
US4090933A (en) Photoelectrolysis of water by solar radiation
US11098410B2 (en) Artificial photosynthesis module
Jung et al. Effect of the Si/TiO2/BiVO4 heterojunction on the onset potential of photocurrents for solar water oxidation
CN109750311A (zh) 光电化学水裂解
US8821700B2 (en) Photoelectrochemical cell and energy system using same
CN102421942B (zh) 光电化学单元
US4172925A (en) Photoelectrochemical cell
CN100511721C (zh) 利用光电转换电极的染料敏化太阳电池及其制造方法
Reed et al. Enhanced electrochemical stability of TiO2-protected, Al-doped ZnO transparent conducting oxide synthesized by atomic layer deposition
US10392714B2 (en) Artificial-photosynthesis module
US20160351938A1 (en) A solar rechargeable redox flow cell
Zhao et al. A coating strategy to achieve effective local charge separation for photocatalytic coevolution
DE102012003597A1 (de) Photovoltaische Hybrid-Elektrolysezelle
Park et al. Hybrid Perovskite‐Based Wireless Integrated Device Exceeding a Solar to Hydrogen Conversion Efficiency of 11%
Sekimoto et al. Wireless InGaN–Si/Pt device for photo-electrochemical water splitting
US20150357123A1 (en) Series/parallel mixed module structure of dye-sensitized solar cell and method of manufacturing the same
GB1581422A (en) Photoelectrolysis of water by solar radiation
US8143085B2 (en) Dye-sensitized solar cell and method for manufacturing the same
US4266338A (en) Method of manufacturing photoelectrochemical cell
Ueda et al. Effect of monolithic photovoltaic-photoelectrochemical-integrated Cu (In, Ga) Se2-related co-planar device on water splitting reaction
JP7104500B2 (ja) 化学反応用電極及びそれを用いた電気化学セル
US10998457B2 (en) Contacts for a photovoltaic cell with two active surfaces

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant