CN113502513B - 一种利用太阳能直接沉积铜金属的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用太阳能直接沉积铜金属的方法。采用的技术方案是：于H型电解槽的阳极室中加入KOH溶液，阴极室中加入Cu(NO3)2溶液；将TiO2光电极作为阳极置于H型电解槽的阳极室中，将导电基底作为阴极置于H型电解槽的阴极室中，用导线将TiO2光电极和导电基底连接；用太阳光直接照射TiO2光电极60分钟。本发明的方法，在只使用光照的情况下，一段时间后，在阴极有单质铜被沉积出来。这个只使用太阳光照射，无需外加电压即可进行沉积单质铜的发现是储存太阳能的一种新的方法。

Description

一种利用太阳能直接沉积铜金属的方法
技术领域
本发明涉及一种只使用太阳光照射光电极，即可在阴极沉积出单质铜的光化学电池。该电池无需外加电压，即可在阴极以沉积出单质铜的方式将太阳能储存起来，是一种的能长期储存太阳能的方法，为能源储存提供了新的思路。
背景技术
随着人类的经济社会发展，传统能源储备量日益减少，能源短缺和环境恶化的问题逐渐显现。太阳能是清洁能源的一种，绿色健康，取之不尽，是缓解能源紧张又能保护环境的新型能源。具有光催化功能的半导体材料在光电转化中较为常见。二氧化钛具有廉价易得、无光腐蚀、光化学性质稳定以及较强的光催化氧化等优点，因此在光催化方面应用较广。当光照二氧化钛，二氧化钛吸收的能量大于禁带宽度时，价带上的电子将被激发到导带上，形成光生电子，同时在价带留下带正点的空穴，即光生空穴。光生电子通过外电路进入阴极发生还原反应。就目前来说，如何充分利用太阳能，将收集的太阳能长期储存起来以供人类未来的使用和发展是目前科学界比较关注的问题之一。
发明内容
本发明主要利用二氧化钛作为光阳极材料，仅仅在光照的情况下，在阴极处沉积出金属铜，该过程是将太阳能储存为化学能的过程。在光照下，无需外加电压，沉积出的金属铜可用于其他反应，这在电化学领域是一个用来储存太阳能的新的发明。
本发明采用的技术方案是：一种利用太阳能直接沉积铜金属的方法，包括如下步骤：
1)于H型电解槽的阳极室中加入KOH溶液，阴极室中加入Cu(NO3)2溶液；
2)将TiO2光电极作为阳极置于H型电解槽的阳极室中，将导电基底作为阴极置于H型电解槽的阴极室中，用导线将TiO2光电极和导电基底连接；
3)用太阳光直接照射TiO2光电极60分钟。
优选的，上述的方法，所述KOH溶液的浓度为1mol/L。
优选的，上述的方法，所述Cu(NO3)2溶液的浓度为0.5-2mol/L。
优选的，上述的方法，所述TiO2光电极的制备方法，包括如下步骤：将浓盐酸与H2O混合，加入钛酸四丁酯后搅拌10分钟，所得混合物倒入放有导电基底的反应釜中，将反应釜放于烘箱中，160-180℃下反应4-5h，得表面覆有TiO2薄膜的导电基底；将表面覆有TiO2薄膜的导电基底放到马弗炉中，在500℃下煅烧2h，冷却至室温，洗涤，干燥，得TiO2光电极。
优选的，上述的方法，阳极室和阴极室之间的连接管道中设有质子膜。
优选的，上述的方法，太阳光强度为100mW·cm-2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明，只利用太阳能，无需外接电压，不需借助其他能量，实现了节能环保的理念。
2、本发明，只利用太阳能即可在阴极沉积出单质铜，是一种新型的长期储存太阳能的方式。
附图说明
图1是TiO2光电极上的TiO2薄膜(a)和铜单质(b)的电镜扫描图。
图2是TiO2光电极上的TiO2薄膜(a)和铜单质(b)的XRD图。
图3是TiO2光电极上的TiO2薄膜(a)和铜单质(b)的紫外-可见漫反射光谱。
图4a是光化学电池性能测试。
图4b是实验前后阴极导电基底的对照图。
图5是光化学电池结构示意图。
图6是光化学电池实物图。
具体实施方式
实施例1一种利用太阳能直接沉积铜金属的方法
(一)方法如下
1)TiO2光电极的制备：
将15mL浓盐酸与15mL H2O混合，加入1mL钛酸四丁酯后，搅拌10分钟，所得混合物倒入放有FTO导电基底的反应釜中，将反应釜放于烘箱中，170℃下反应5h，得表面覆有TiO2薄膜的FTO导电基底；将表面覆有TiO2薄膜的FTO导电基底放到马弗炉中，在500℃下煅烧2h，冷却至室温，洗涤，干燥，得TiO2光电极。
2)光化学电池的制备：
光化学电池的结构示意图如图5，实物图如图6。
于H型电解槽(1)的阳极室(1-1)中加入50mL浓度为1mol/L的KOH溶液。
于H型电解槽(1)的阴极室(1-2)中加入50mL浓度为0.5mol/L的Cu(NO3)2溶液。
阳极室(1-1)和阴极室(1-2)之间的连接管道中设有质子膜(2)。
将表面覆有TiO2薄膜(3-1)的TiO2光电极(3)作为阳极置于H型电解槽的阳极室(1-1)中。
将纯的FTO导电基底(4)作为阴极置于H型电解槽的阴极室(1-2)中。
用导线(5)将TiO2光电极和FTO导电基底连接。
3)沉积铜金属
用光强度为100mW·cm-2的模拟太阳光照射TiO2光电极60分钟，在阴极的导电基底上沉积出铜单质。
(二)性能检测
1)电镜扫描
将制备的TiO2光电极和阴极导电基底上沉积的单质铜分别用电子显微镜扫描，并对TiO2光电极上的TiO2薄膜和单质铜的形貌进行表征。结果如图1。
由图1的a可见，制备的TiO2光电极，可以看出二氧化钛纳米棒垂直于FTO导电基底密集分布，纳米棒顶面有不规则的四边形边缘。由图1的b可见，沉积出的单质铜，其形貌为规则的十二面体结构。
2)XRD测试
对TiO2薄膜以及沉积物进行了表征，结果如图2。
图2中a所示，对二氧化钛薄膜进行了表征，二氧化钛薄膜在2θ＝36.1°、62.8°、69.8°处有3个衍射峰，分别对应于金红石型二氧化钛(JCPDS-No.65-0191)的(101)、(002)、(112)衍射面。
图2中b所示，对沉积出的物质进行了表征，沉积物在2θ＝43.3°、50.5°、74.2°处有3个衍射峰，分别对应于铜(JCPDS-No.65-9026)的(111)、(200)、(220)衍射面。沉积物在2θ＝29.6°、36.5°、42.4°、61.5°、73.7°处有5个衍射峰，分别对应于氧化亚铜(JCPDS-No.65-3288)的(110)、(111)、(200)、(220)、(311)衍射面。
3)紫外-可见漫反射光谱检测
对二氧化钛薄膜以及沉积物铜分别进行了紫外-可见漫反射测试，结果如图3所示。
由图3中a可知，二氧化钛薄膜在400nm左右开始有光吸收。由图3中b可知，沉积物铜在600nm左右开始有光吸收。
4)光化学电池性能测试
对二氧化钛薄膜进行测试，结果如图4a和4b所示。图4a是TiO2光电极在模拟太阳光下沉积金属铜时测得的I-t特性曲线。由图4a可见，在模拟太阳光照射TiO2薄膜时，TiO2光电极的电流密度稳定在7.10-7.25mA/cm2之间。图4b是在模拟太阳光照射TiO2光电极60分钟的条件下，阴极导电基底上的前后对照图。由图4b可见，60分钟后，在阴极的导电基底上有单质铜析出。

Claims (4)

1.一种利用太阳能直接沉积铜金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）于H型电解槽的阳极室中加入KOH溶液，阴极室中加入Cu(NO3)2溶液；
2）将TiO2光电极作为阳极置于H型电解槽的阳极室中，将导电基底作为阴极置于H型电解槽的阴极室中，用导线将TiO2光电极和导电基底连接；
所述TiO2光电极的制备方法，包括如下步骤：将浓盐酸与H2O混合，加入钛酸四丁酯后，搅拌10分钟，所得混合物倒入放有导电基底的反应釜中，将反应釜放于烘箱中， 160-180℃下反应4-5h，得表面覆有TiO2薄膜的导电基底；将表面覆有TiO2薄膜的导电基底放到马弗炉中，在500℃下煅烧2h，冷却至室温，洗涤，干燥，得TiO2光电极；
3）用太阳光直接照射TiO2光电极60分钟；所述太阳光强度为100mW•cm-2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述KOH溶液的浓度为1mol/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Cu(NO3)2溶液的浓度为0.5-2mol/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，阳极室和阴极室之间的连接管道中设有质子膜。
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