CN112760668B - 一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统与应用 - Google Patents

一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统与其应用。该体系包括光阳极、光阴极、电解液、光源、电解池，所述的光阳极结构从下至上依次为衬底、衬底上的石墨烯、生长在石墨烯上的InGaN纳米柱，所述的光阴极结构从上至下依次为衬底、生长在衬底上的InGaN纳米柱；本发明使用石墨烯不仅拓宽了衬底的选择范围，同时可以充当导电电极使用，降低了成本；石墨烯还能与纳米柱之间的形成肖特基势垒，有利于分离光生载流子，增强载流子输运性能，大幅度提高纳米柱的光电性能；同时石墨烯的透光性能够制备InGaN纳米柱集成光电极，能拓宽光谱吸收、提高水分解所需光电压，实现无偏压光电水分解产氢。

Description

一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢 系统与应用
技术领域
本发明涉及InGaN纳米柱、光电极的集成、能源与催化领域，特别涉及一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统与应用。
背景技术
无偏压光电化学水分解制氢在解决全球能源危机和环境问题方面显示出巨大的潜力。InGaN纳米柱具有可调的带隙(0.65eV～3.4eV)，可通过改变铟的组分来调节光吸收，从而成为光电极的理想选择。此外，InGaN纳米柱具有适合水氧化还原反应的能带位置，较长电荷扩散距离，高表面积与体积比以及出色的理论太阳能转变氢能(STH)效率(～27％)，使得InGaN纳米柱非常利于光电化学全水分解。然而，InGaN纳米柱的体相和表面电荷快速复合以及缓慢的氧化反应动力学等问题，导致需要额外的偏压来促进电荷转移。因此开发基于InGaN纳米柱无偏压光电催化体系对于氢能源的制备具有重要的研究意义。
目前InGaN纳米柱主要是生长在不透明的Si衬底上，对于构建无偏压的光电催化体系具有一定的阻碍，主要体现在衬底的不透光，无法构成串联电极，从而无法实现宽光谱的吸收以及高的光电压的产生。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，首要目的在于提供一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统。本发明使用石墨烯不仅拓宽了衬底的选择范围，同时可以充当导电电极使用,大大降低了成本；石墨烯还能与纳米柱之间的形成肖特基势垒，有利于分离光生载流子，增强载流子输运性能，大幅度提高纳米柱的光电性能；同时石墨烯的透光性能够制备InGaN纳米柱集成光电极，能拓宽光谱吸收、提高水分解所需光电压，实现无偏压光电水分解产氢。
本发明再一目的在于提供上述纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统在太阳能产氢中的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统，该系统包括：
光阳极、光阴极、电解液、光源、电解池；
所述的光阳极结构从下至上依次为衬底、衬底上的石墨烯、生长在石墨烯上的InGaN纳米柱；所述的光阴极结构从上至下依次为衬底、生长在衬底上的InGaN纳米柱，所述光阳极与光阴极通过导线连接，并置于电解池中的电解液，通过光源模拟太阳光照射光电极进行氢气的制备。
以上基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统中所述光阳极的制备包括以下步骤：
(1)衬底上的石墨烯的制备：采用湿法转移的方法在衬底上转移石墨烯膜，干燥后旋涂5％～10％PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液将石墨烯展平，干燥后洗去PMMA，得衬底/石墨烯；
(2)石墨烯上的InGaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(1)所得衬底/石墨烯的温度为900～980℃，衬底/石墨烯转速为5～10r/min，Ga束流等效压强为1×10-7～2.5×10-7Torr，In束流等效压强为2.0×10-8～5×10-8Torr，氮气流量为2～5sccm，等离子体源功率为200-400W，生长时间1～3h，在步骤(1)所得衬底/石墨烯上生长InGaN纳米柱；
(3)光阳极的制备：用In-Ga合金将导线与步骤(2)衬底/石墨烯中的石墨烯连接得到光阳极。
步骤(1)所述衬底为单晶石英或蓝宝石。
步骤(1)所述光阳极衬底上石墨烯为单层、双层或三层。
步骤(1)所述PMMA依次用丙酮，异丙醇浸泡洗去。
步骤(2)所述光阳极衬底上InGaN纳米柱中In原子在金属原子(In、Ga)所占的比例为5％～20％，纳米柱高度为100～600nm,直径为50～100nm，密度为100～300μm-2。
进一步地，步骤(3)所述采用光阳极的制备采用单电极或双电极串联方式。
以上基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统中所述光阴极制备包括以下步骤：
(1)衬底上InGaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制衬底温度为900～980℃，衬底转速为5～10r/min，Ga束流等效压强为1×10-7～2.5×10-7Torr，In束流等效压强为2.0×10-7～5×10-7Torr，氮气流量为2～5sccm，等离子体源功率为200-400W，生长时间1～3h，在步骤(1)中衬底上生长InGaN纳米柱。
(2)光阴极的制备：5用In-Ga合金将导线与Si衬底背面连接。
步骤(1)所述衬底为n型Si衬底(导电率<0.005Ω)。
步骤(1)所述光阴极衬底上InGaN纳米柱中In原子在金属原子(In、Ga)所占的比例为30％～40％，纳米柱高度为100～600nm,直径为50～100nm，密度为100～300μm-2。
以上基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统中，所述的电解液pH为0～14；所述电解液为H2SO4，NaOH，Na2SO4电解液中的至少一种。
以上基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统中，所述的光源照射电极方式为平行光照射或者全照射。
所述的一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统在太阳能产氢中的应用。
本发明通过石墨烯本身所具有的零带隙、高电导率、常温下的高电子迁移率及量子霍尔效应和良好的透光性等优越的性质使之成为半导体异质结的理想材料。二维石墨烯没有悬挂键，无表面态，同时其晶体结构有利于一维III族氮化物的生长；并且石墨烯能与半导体之间形成肖特基势垒接收半导体之中的电子，同时阻挡空穴迁移到石墨烯中，这样就能有效的抑制半导体光催化剂表面的电子-空穴对的复合。此外，以石墨烯作为导电电极，使得衬底能够选择透明衬底，将InGaN纳米柱光电极进行串联集成，能够充分利用InGaN纳米柱未吸收的光，从而实现无偏压的光电催化产氢。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明使用石墨烯作为InGaN纳米柱生长的介质层，可以扩大衬底的选择，避免了因选择了与InGaN晶格失配度大的导电性好、价格便宜的衬底材料而造成生长的纳米柱晶体质量差，同时能充当导电电极降低了制备成本。
(2)本发明使用石墨烯作为衬底与InGaN纳米柱之间形成肖特基势垒，接收半导体之中的电子，能阻挡空穴迁移到石墨烯中，有效的抑制电子-空穴对的复合，从而大大提高了InGaN纳米柱光电解水的光电转换效率。
(3)石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系应用于光电解水制氢时，能拓宽光谱吸收、提高水分解所需光电压，实现无偏压光电水分解产氢，有利于大规模太阳能产氢。
附图说明
如图1为实施例1中一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中光阳极结构示意图。
如图2为实施例1中一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中光阴极结构示意图。
如图3为实施例1中一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中光电化学电池结构示意图。
如图4为实施例1中一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中串联光阳极光电化学电池结构示意图。
如图5所示为实施例1中一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中全照射式光电化学电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例中，基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统，该系统包括：
光阳极、光阴极、电解液、光源、电解池；
所述的光阳极结构从下至上依次为衬底、衬底上的石墨烯、生长在石墨烯上的InGaN纳米柱，所述的光阴极结构从上至下依次为衬底、生长在衬底上的InGaN纳米柱，所述光阳极与光阴极通过导线连接，并置于电解池中的电解液，通过光源模拟太阳光照射光电极进行氢气的制备。
实施例1
一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统的构建，包括以下步骤：
(1)光阳极的制备：采用蓝宝石当作衬底，通过湿法转移的方式在衬底上转移单层石墨烯膜，干燥后旋涂PMMA溶液将石墨烯展平，120摄氏度干燥5min后依次用丙酮浸泡3次,每次15min,异丙醇浸泡5min洗去PMMA，得衬底/石墨烯。然后，采用分子束外延生长工艺，控制衬底/石墨烯温度为980℃，衬底/石墨烯转速为10r/min，Ga束流等效压强为1×10-7Torr，In束流等效压强为2.0×10-8Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间3h，所得InGaN纳米柱In原子占比5％。最后，所制备的纳米柱底下的石墨烯上用In-Ga合金将导线与之连接，制成光阳极。
(2)光阴极制备：采用n型Si当作衬底(导电率<0.005Ω)。然后，采用分子束外延生长工艺，控制步骤衬底温度为900℃，衬底转速为10r/min，Ga束流等效压强为1×10-7Torr，In束流等效压强为2.0×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间3h制备InGaN纳米柱中In原子占比30％。最后，用In-Ga合金将导线与Si衬底背面相连，制成光阳极。
(3)光电化学电池的构建：将光阳极与光阴极串联连接，光源采用平行光照射，电解液采用0.5M H2SO4电解液(pH＝0)。
如图1所示，本实施例一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中光阳极结构示意图。
如图2所示，本实施例一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中光阴极结构示意图。
如图3所示，本实施例一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中光电化学电池结构示意图。
将本实施例一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系用于太阳能产氢，所得光到氢能转换效率为1.2％。
实施例2
一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统的构建，包括以下步骤：
(1)光阳极的制备：采用石英当作衬底，通过湿法转移的方式在衬底上转移双层石墨烯膜，干燥后旋涂PMMA溶液将石墨烯展平，120摄氏度干燥5min后依次用丙酮浸泡3次,每次15min,异丙醇浸泡5min洗去PMMA，得衬底/石墨烯。然后，采用分子束外延生长工艺，控制衬底/石墨烯温度为950℃，衬底/石墨烯转速为10r/min，Ga束流等效压强为2×10-7Torr，In束流等效压强为3.5×10-8Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间3h，所得InGaN纳米柱In原子占比12％。另外控制衬底/石墨烯温度为900℃，衬底/石墨烯转速为10r/min，Ga束流等效压强为2.5×10-7Torr，In束流等效压强为5×10-8Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间3h，所得InGaN纳米柱In原子占比20％。最后，所制备的两种纳米柱底下的石墨烯上用In-Ga合金将导线与之连接，制成串联光阳极。
(2)光阴极制备：采用n型Si当作衬底(导电率<0.005Ω)。然后，采用分子束外延生长工艺，控制步骤衬底温度为900℃，衬底转速为10r/min，Ga束流等效压强为1×10-7Torr，In束流等效压强为2.0×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间3h制备InGaN纳米柱中In原子占比30％。最后，用In-Ga合金将导线与Si衬底背面相连，制成光阳极。
(3)光电化学电池的构建：将光阳极与光阴极串联连接，光源采用平行光照射，电解液采用1M NaOH电解液(pH＝14)。
如图4所示为本实施例一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中串联光阳极光电化学电池结构示意图。
将本实施例一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系用于太阳能产氢，所得光到氢能转换效率为2.5％。
实施例3
一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢系统的构建，包括以下步骤：
(1)光阳极的制备：采用蓝宝石当作衬底，通过湿法转移的方式在衬底上转移三层石墨烯膜，干燥后旋涂PMMA溶液将石墨烯展平，120摄氏度干燥5min后依次用丙酮浸泡3次,每次15min,异丙醇浸泡5min洗去PMMA，得衬底/石墨烯。然后，采用分子束外延生长工艺，控制衬底/石墨烯温度为900℃，衬底/石墨烯转速为10r/min，Ga束流等效压强为2.5×10- 7Torr，In束流等效压强为5×10-8Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间3h，所得InGaN纳米柱In原子占比20％。最后，所制备纳米柱底下的石墨烯上用In-Ga合金将导线与之连接，制成光阳极。
(2)光阴极制备：采用n型Si当作衬底(导电率<0.005Ω)。然后，采用分子束外延生长工艺，控制步骤衬底温度为900℃，衬底转速为10r/min，Ga束流等效压强为1×10-7Torr，In束流等效压强为2.0×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间3h制备InGaN纳米柱中In原子占比30％。最后，用In-Ga合金将导线与Si衬底背面相连，制成光阳极。
(3)光电化学电池的构建：将光阳极与光阴极并列连接，光源全照射，电解液采用1M Na2SO4电解液(pH＝7)。
如图5所示为本实施例一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系中全照射式光电化学电池结构示意图。
将本实施例一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢体系用于太阳能产氢，所得光到氢能转换效率为3.5％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极制氢系统在无偏压光电化学制氢中的应用，其特征在于该系统包括：
光阳极、光阴极、电解液、光源、电解池；
所述的光阳极结构从下至上依次为衬底、衬底上的石墨烯、生长在石墨烯上的InGaN纳米柱，所述的光阴极结构从上至下依次为衬底、生长在衬底上的InGaN纳米柱，所述光阳极与光阴极通过导线连接，并置于电解池中的电解液，通过光源模拟太阳光照射光电极进行氢气的制备；
所述光阳极的制备包括以下步骤：
(1)衬底上的石墨烯的制备：采用湿法转移的方法在衬底上转移石墨烯膜，干燥后旋涂5％～10％PMMA溶液将石墨烯展平，干燥后洗去PMMA，得衬底/石墨烯；
(2)石墨烯上的InGaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(1)所得衬底/石墨烯的温度为900～980℃，衬底/石墨烯转速为5～10r/min，Ga束流等效压强为1×10-7～2.5×10-7Torr，In束流等效压强为2.0×10-8～5×10-8Torr，氮气流量为2～5sccm，等离子体源功率为200-400W，生长时间1～3h，在步骤(1)所得衬底/石墨烯上生长InGaN纳米柱；
(3)光阳极的制备：用In-Ga合金将导线与步骤(2)衬底/石墨烯中的石墨烯连接得到光阳极。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(1)所述衬底为单晶石英或蓝宝石；步骤(1)所述光阳极衬底上石墨烯为单层、双层或三层。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(2)所述光阳极衬底上InGaN纳米柱中In原子在金属原子所占的比例为5％～20％，纳米柱高度为100～600nm,直径为50～100nm，密度为100～300μm-2。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(3)所述光阳极的制备采用单电极或双电极串联方式。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述光阴极制备包括以下步骤：
(1)衬底上InGaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制衬底温度为900～980℃，衬底转速为5～10r/min，Ga束流等效压强为1×10-7～2.5×10-7Torr，In束流等效压强为2.0×10-7～5×10-7Torr，氮气流量为2～5sccm，等离子体源功率为200-400W，生长时间1～3h，在步骤(1)中衬底上生长InGaN纳米柱；
(2)光阴极的制备：用In-Ga合金将导线与Si衬底背面连接。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤(1)所述衬底为n型Si衬底；步骤(1)所述光阴极衬底上InGaN纳米柱中In原子在金属原子所占的比例为30％～40％，纳米柱高度为100～600nm,直径为50～100nm，密度为100～300μm-2。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的电解液pH为0～14；所述电解液为H2SO4，NaOH，Na2SO4电解液中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述的光源照射电极方式为平行光照射或者全照射。
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