CN115652330A - 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 - Google Patents
一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115652330A CN115652330A CN202211444598.4A CN202211444598A CN115652330A CN 115652330 A CN115652330 A CN 115652330A CN 202211444598 A CN202211444598 A CN 202211444598A CN 115652330 A CN115652330 A CN 115652330A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode system
- anode
- glucose
- chamber
- photocathode
- 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.)
- Pending
Links
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 title claims abstract description 35
- 239000008103 glucose Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 21
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910005866 GeSe Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 11
- RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-N Gluconic acid Natural products OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C(O)=O RGHNJXZEOKUKBD-SQOUGZDYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000000174 gluconic acid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 10
- RGHNJXZEOKUKBD-UHFFFAOYSA-N D-gluconic acid Natural products OCC(O)C(O)C(O)C(O)C(O)=O RGHNJXZEOKUKBD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 235000012208 gluconic acid Nutrition 0.000 claims abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 24
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 21
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000011464 hollow brick Substances 0.000 claims description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N Propylene glycol Chemical compound CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 claims description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 3-(oxolan-2-yl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCC1CCCO1 WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 claims description 2
- 239000003570 air Substances 0.000 claims description 2
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 claims description 2
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 2
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- AMWVZPDSWLOFKA-UHFFFAOYSA-N phosphanylidynemolybdenum Chemical compound [Mo]#P AMWVZPDSWLOFKA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- DZXKSFDSPBRJPS-UHFFFAOYSA-N tin(2+);sulfide Chemical compound [S-2].[Sn+2] DZXKSFDSPBRJPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- -1 hydroxyl ions Chemical class 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 5
- QIHHYQWNYKOHEV-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butyl-3-nitrobenzoic acid Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=C(C(O)=O)C=C1[N+]([O-])=O QIHHYQWNYKOHEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 4
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 229910052774 Proactinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 description 1
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 1
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000486 photoelectrochemical deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
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
- 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
-
- 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
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/01—Products
- C25B3/07—Oxygen containing 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
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/20—Processes
- C25B3/21—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
- 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
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- 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
-
- 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
- C25B9/67—Heating or cooling means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S70/00—Details of absorbing elements
- F24S70/10—Details of absorbing elements characterised by the absorbing material
-
- 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)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
本发明涉及一种光电‑光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统，包括，容纳有酸性电解液的阴极腔室，其侧壁上设置有光阴极，其将水分解为氢气以及可供阳极腔室利用的氢氧根离子；容纳有碱性葡萄糖电解液的阳极腔室，其侧壁上设置有阳极，其将葡萄糖转化为葡萄糖酸；离子交换膜，设置于阴极腔室与阳极腔室之间；热电器件的热端与阴极腔室邻接设置；光阴极由金属衬底、GeSe薄膜、n型半导体层和催化剂层构成，阳极由基底和Cu2O薄膜组成；本发明光阴极和阳极的结合实现了光电‑光热‑热电‑电催化四种技术的结合，充分利用材料特性，结合多学科优势，实现了完全依赖光驱动制取两种经济作物的创新，具有巨大的经济效益优势。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用领域，尤其涉及一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统。
背景技术
太阳能的利用存在间歇性的问题，这就导致对太阳能的利用必须使用到储能设备—即通过大规模的储电设备将白天通过太阳能转化的电能进行存储以便于夜晚使用。但储电设备会为太阳能的使用增加额外的成本，且存储的电力二次并网也会带来建设施工难度。利用太阳能驱动催化化学反应的手段将太阳能储存在化学键中，形成燃料或其他经济产物，将极大地推动太阳能的开发利用。
在光驱动的催化反应中，需要使用半导体作为媒介吸收太阳能转化为自由电子、空穴参与反应。在太阳光谱中，紫外光占比约为3％(300-400nm)，可见光约为45％(400-700nm)，红外光约为52％(700-2500nm)。而大多数半导体仅能利用紫外及可见光部分，对太阳能的利用率不足50％。此外，被激发的光电子和空穴还会在一定程度上进行复合，然后以热量的形式散失，而这部分热量通常是被忽视的。
最重要的是，光驱动的催化反应通常关注一个物质的完整氧化还原反应，例如分解水产氢时，需要同时分解水产生氧气。而在这个过程中，分解水制取氧气的半反应过电势较大，使得全解水反应至少需要1.6V的外加偏压。而氢氧混合气体在后续还需要通过分子筛等手段进行分离，这无疑增加了设备成本和时间成本。如何合理有效地利用太阳光是亟待解决的问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统，该电极系统能够在光驱动阴极产氢的同时，在阳极进行葡萄糖转化为葡萄糖酸的反应，该反应的过电势较低，使得该光驱动系统可以在更低的电压下同时完成两种经济作物的制取，更有效地利用了太阳光，本发明的该电极系统更具产业化价值。
本发明的电极系统包括阴极腔室和阳极腔室，阴极腔室容纳有酸性电解液，阳极腔室容纳有碱性葡萄糖电解液，阴极腔室的一个侧壁上设置有光阴极，光阴极的吸收层选择具有空心砖结构的GeSe薄膜作为吸光层，同时该光阴极结合热电器件，具有空心砖结构的GeSe薄膜一方面能够在300～2500nm的宽波长范围具有强的光吸收，同时具有良好的光热转化能力，在光照下产生电子进行分解水制氢，同时转化成的热能被光电器件吸收产生电压；阳极腔室的一个侧壁上设置有阳极，阳极选择Cu2O薄膜材料，依据Cu2O的电催化特性，利用Cu1+与Cu2+间的可逆反应，将葡萄糖溶液转化为葡萄糖酸溶液，实现了完全依赖光驱动制取氢气以及葡萄糖酸两种经济产物的目标。
为了达到上述目的，本发明至少采用如下技术方案：
一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统，包括，
容纳有酸性电解液的阴极腔室，其具有多个侧壁，其中一个侧壁上设置有光阴极，所述阴极腔室分解水产氢；
容纳有碱性葡萄糖电解液的阳极腔室，其具有多个侧壁，其中一个侧壁上设置有阳极，所述阳极腔室将葡萄糖转化为葡萄糖酸；
离子交换膜，设置于所述阴极腔室与所述阳极腔室之间；
热电器件，具有热端和冷端，其热端与所述阴极腔室邻接设置；
其中，所述光阴极包含金属衬底、依次设置于金属衬底上的GeSe薄膜、n型半导体层和催化剂层，所述催化剂层与所述酸性电解液接触；
所述阳极包含基底和设置于基底上的Cu2O薄膜，所述Cu2O薄膜与所述碱性葡萄糖电解液接触。
进一步地，所述n型半导体层选用硫化镉、硫化锌、硫化亚锡、氧化钛、氧化铝、氧化铪、氧化锌中的至少一种。
进一步地，所述催化剂选用金、银、铂、铜、硫化钼、磷化钼中的至少一种。
进一步地，所述GeSe薄膜具有空心砖结构，其厚度为500nm至10μm。
进一步地，所述Cu2O薄膜的厚度为50nm至2μm。
进一步地，所述碱性葡萄糖电解液为葡萄糖和NaOH的水溶液，所述葡萄糖的浓度为0.2摩尔/升，所述NaOH的浓度为0.5摩尔/升。
进一步地，所述酸性电解液为HCl、H2SO4或HNO3溶液。
进一步地，所述热电器件的热端材料为石墨、铁、铜、金、银、GeSe、Ti2O3、MoO3、Fe3O4、MnFe2O4、ZnFe2O4中的一种；所述冷端具有冷却剂，所述冷却剂包括水、空气、丙二醇、硅油。
进一步地，所述离子交换膜选用阴离子交换膜。
进一步地，所述热电器件的热端与所述金属衬底邻接，所述热电器件具有正极和负极，所述负极连接至所述金属衬底，所述正极连接至所述阳极。
本发明至少具有如下有益效果：本发明电极系统的光阴极采用空心砖结构的GeSe薄膜作为吸光层，同时光阴极与热电器件的热端邻接设置，在提升光阴极光利用率的同时提升了热能的利用；另一方面本发明的阳极采用可发生价态可逆转变的Cu2O薄膜，阳极在低的电位下即可完成葡萄糖转葡萄糖酸的过程；本发明光阴极和阳极的结合实现了光电-光热-热电-电催化四种技术的结合，充分利用材料特性，结合多学科优势，实现了完全依赖光驱动制取两种经济作物的创新。
另一方面，本发明的电极系统具有经济效益的优势，本发明的Cu2O-GeSe协同光电-光热产氢及葡萄糖转化电极系统，所采用的材料具有廉价、环保、工艺简单，可大规模制备的特点。且该电极系统可依赖太阳能独立运行，不需要外部设备提供能量输入，设计全面、结构简单。根据目前所报道的电极系统，本发明的电极系统具备功能完善的最小化单元，具备大面积拓展的特性。该电极系统的实施能够带来巨大的经济效益优势，有着明朗的商业化前景。
附图说明
图1是本发明一实施例的电极系统示意图。
图2是本发明一实施例的具有空心砖状的GeSe薄膜的形貌图。
图3是本发明一实施例的Cu2O薄膜的基本形貌图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。本发明实施例中的热电器件选用商用热电器件。
本发明的一实施例提供了一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统，如图1示，该电极系统包含光阴极腔室、阳极腔室、离子交换膜和热电器件。
光阴极腔室具有多个侧壁，侧壁围绕形成封闭的腔室，腔室中容纳有酸性电解液，其中一个侧壁上设置有光阴极，光阴极朝向腔室内壁的表面与酸性电解液接触，光阴极与腔室内壁相对的表面与热电器件邻接设置。
光阴极由金属衬底和依次设置于金属衬底上的GeSe薄膜、n型半导体层以及催化剂层构成，催化剂层与酸性电解液接触。在一优选实施例中，酸性电解液的成分为HCl，浓度为1摩尔/升。金属衬底选用金属Mo衬底，GeSe薄膜采用快速盒热蒸发法沉积在金属Mo衬底上，具体地，将金属Mo片放置在石墨盒中，将0.6g硒化亚锗粉末均匀的铺在金属钼片周围，随后装有钼片以及硒化亚锗粉末的石墨盒用石墨盖子密封后放置在管式炉内。利用分子泵将管式炉内的真空度降低至10-3Pa，在蒸发阶段到来时，盒中的硒化亚锗粉末会受热蒸发随后沉积在金属钼片上。随后经过控制冷却速率为10℃/min，使得晶体进一步生长从而形成具有空心砖结构的薄膜，其表面形貌示意图如图2所示。该薄膜具有良好的光吸收能力，硒化亚锗薄膜在400-2500nm波段的光吸收百分数最高达到90％。
在一实施例中，n型半导体层选用TiO2外延层，采用原子层沉积工艺在GeSe薄膜上制备30nm厚的TiO2外延层。随后选用光电化学沉积工艺在TiO2外延层上沉积厚度为5nm的析氢催化剂Pt层，获得Pt/TiO2/GeSe/Mo光阴极结构。通过铝浆将光阴极的金属Mo衬底侧黏贴至热电器件的热端上，真空干燥12小时之后，再将热电器件的负极焊接至Pt/TiO2/GeSe/Mo光阴极上。光阴极的Pt催化剂侧与HCl电解液接触。阴极腔室发生的化学反应方程式如下：
2H2O+2e-→H2+2OH-
本发明的阳极腔室具有多个侧壁，侧壁围绕形成腔室，腔室中容纳有碱性葡萄糖电解液。在一优选实施例中，碱性葡萄糖电解液为葡萄糖和NaOH的水溶液，葡萄糖的浓度为0.2摩尔/升，NaOH的浓度为0.5摩尔/升。阳极设置于阳极腔室的一个侧壁上。阳极朝向腔室内壁的面与碱性葡萄糖电解液接触。
阳极由基底和设置于基底上的Cu2O薄膜构成。在一实施例中，基底选用FTO基底，Cu2O由电沉积法沉积于FTO基底上。具体步骤如下，取0.2mol的CuSO4·5H2O，17.05mL的C3H5O3(乳酸)，32.95mL的去离子水和0.32mol的NaOH，配置为前驱液，水浴温度为60℃，恒压电沉积时电压为-0.6V vs Ag/AgCl，沉积时间为300s。沉积时采用三电极系统，将清洗后的FTO基底作为工作电极，Pt片电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极进行电沉积。电沉积后的Cu2O薄膜基本形貌如图3所示。
阴离子腔室与阳离子腔室并排设置，两者之间以阴离子半透膜隔开。阴极腔室在太阳光的照射下，GeSe薄膜对光进行吸收，同时完成光电和光热的转化，光电部分实现分解水制氢，光热部分用于充当热电器件热端的能量来源，驱动热电器件产生电压。该热电器件的正极连接在阳极Cu2O薄膜电极的FTO基底上，负极连接在光阴极GeSe薄膜电极的金属衬底钼片上。采用这种连接方式后，热电器件即可为阴极腔室和阳极腔室提供电压，促进两种电化学反应的发生。阴极腔室发生的化学反应方程式如下：
2H2O+2e-→H2+2OH-
阴离子经阴离子半透膜进入阳极腔室，可发生价态可逆转变的Cu2O薄膜在阳极腔室完成低电位下的葡萄糖转葡萄糖酸过程。具体过程为：Cu2O在氢氧根与水的共同作用下发生氧化反应，自身转变成Cu(OH)2。随后，Cu(OH)2与阳极腔室的葡萄糖溶液接触，自身发生还原反应转变成Cu2O，还能将葡萄糖氧化转化成葡萄糖酸。阳极腔室发生的化学反应方程式如下：
Cu2O+H2O+2OH-→2Cu(OH)2+2e-
2Cu(OH)2+C5H11O5CHO→Cu2O+C5H11O5COOH+2H2O
实现了完全依赖光驱动制取氢气和葡萄糖酸两种经济作物的创新。该光电-光热产氢及葡萄糖转化电极系统，所采用的材料或者替代性材料均为廉价、环保、工艺简单，可大规模制备的，且该系统可依赖太阳能独立运行，不需要外部设备提供能量输入、设计全面、结构简单，是现有的电极系统中功能完善的最小化单元，具备大面积拓展特性。因此，本发明的经济效益优势巨大，有着明朗的商业化前景。
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上述实施例的限制，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 (10)
1.一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统，其特征在于，包括，
容纳有酸性电解液的阴极腔室，其具有多个侧壁，其中一个侧壁上设置有光阴极，所述阴极腔室分解水产氢；
容纳有碱性葡萄糖电解液的阳极腔室，其具有多个侧壁，其中一个侧壁上设置有阳极，所述阳极腔室将葡萄糖转化为葡萄糖酸；
离子交换膜，设置于所述阴极腔室与所述阳极腔室之间；
热电器件，具有热端和冷端，其热端与所述阴极腔室邻接设置；
其中，所述光阴极包含金属衬底、依次设置于金属衬底上的GeSe薄膜、n型半导体层和催化剂层，所述催化剂层与所述酸性电解液接触；
所述阳极包含基底和设置于基底上的Cu2O薄膜，所述Cu2O薄膜与所述碱性葡萄糖电解液接触。
2.根据权利要求1的所述电极系统，其特征在于，所述n型半导体层选用硫化镉、硫化锌、硫化亚锡、氧化钛、氧化铝、氧化铪、氧化锌中的至少一种。
3.根据权利要求1或2的所述电极系统，其特征在于，所述催化剂选用金、银、铂、铜、硫化钼、磷化钼中的至少一种。
4.根据权利要求1或2的所述电极系统，其特征在于，所述GeSe薄膜具有空心砖结构，其厚度为500nm至10μm。
5.根据权利要求1或2的所述电极系统，其特征在于，所述Cu2O薄膜的厚度为50nm至2μm。
6.根据权利要求1或2的所述电极系统，其特征在于，所述碱性葡萄糖电解液为葡萄糖和NaOH的水溶液，所述葡萄糖的浓度为0.2摩尔/升，所述NaOH的浓度为0.5摩尔/升。
7.根据权利要求1或2的所述电极系统，其特征在于，所述酸性电解液为HCl、H2SO4或HNO3。
8.根据权利要求1或2的所述电极系统，其特征在于，所述热电器件的热端材料为石墨、铁、铜、金、银、GeSe、Ti2O3、MoO3、Fe3O4、MnFe2O4、ZnFe2O4中的一种；所述冷端具有冷却剂，所述冷却剂包括水、空气、丙二醇、硅油。
9.根据权利要求1或2的所述电极系统，其特征在于，所述离子交换膜选用阴离子交换膜。
10.根据权利要求1或2的所述电极系统，其特征在于，所述热电器件的热端与所述金属衬底邻接，所述热电器件具有正极和负极，所述负极连接至所述金属衬底，所述正极连接至所述阳极。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211444598.4A CN115652330A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 |
| PCT/CN2023/104648 WO2024103786A1 (zh) | 2022-11-18 | 2023-06-30 | 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211444598.4A CN115652330A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115652330A true CN115652330A (zh) | 2023-01-31 |
Family
ID=85019692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211444598.4A Pending CN115652330A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115652330A (zh) |
| WO (1) | WO2024103786A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024103786A1 (zh) * | 2022-11-18 | 2024-05-23 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113278983A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-20 | 长沙理工大学 | 一种电化学制氢工艺 |
| CN114941149A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-26 | 华南师大(清远)科技创新研究院有限公司 | 一种基于太阳光热及光电催化集成水解制氢装置 |
| CN115011921A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-06 | 华南师范大学 | 具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜、太阳能发电和水解制氢装置及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115652330A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-01-31 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 |
-
2022
- 2022-11-18 CN CN202211444598.4A patent/CN115652330A/zh active Pending
-
2023
- 2023-06-30 WO PCT/CN2023/104648 patent/WO2024103786A1/zh unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113278983A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-20 | 长沙理工大学 | 一种电化学制氢工艺 |
| CN114941149A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-26 | 华南师大(清远)科技创新研究院有限公司 | 一种基于太阳光热及光电催化集成水解制氢装置 |
| CN115011921A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-06 | 华南师范大学 | 具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜、太阳能发电和水解制氢装置及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| YIQIONG ZHANG ET AL.: "Coupling Glucose-Assisted Cu(I)/Cu(II) Redox with Electrochemical Hydrogen Production", ADV. MATER., pages 1 - 9 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024103786A1 (zh) * | 2022-11-18 | 2024-05-23 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024103786A1 (zh) | 2024-05-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Phoon et al. | Recent developments of strontium titanate for photocatalytic water splitting application | |
| Liu et al. | Efficient photoelectrochemical water splitting by gC 3 N 4/TiO 2 nanotube array heterostructures | |
| Saraswat et al. | Recent advancements in semiconductor materials for photoelectrochemical water splitting for hydrogen production using visible light | |
| Li et al. | Light‐assisted metal–air batteries: progress, challenges, and perspectives | |
| AU775773B2 (en) | Tandem cell for water cleavage by visible light | |
| JP7026773B2 (ja) | 水分解用光触媒電極および水分解装置 | |
| CN115011921B (zh) | 具有微空心砖结构的硒化亚锗薄膜、太阳能发电和水解制氢装置及其制备方法 | |
| CN111774057B (zh) | 一种高性能异质结材料Fe2O3/CuO光电极薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN110655656A (zh) | 一种钴金属有机框架材料及其制备方法和应用 | |
| JP6470868B2 (ja) | 人工光合成モジュール | |
| WO2024103786A1 (zh) | 一种光电-光热协同产氢及葡萄糖转化电极系统 | |
| CN103861576A (zh) | 一种暴露锐钛矿二氧化钛高能面的异质结纳米管阵列薄膜光催化材料及制备方法和应用 | |
| CN115074746B (zh) | 一种有机-无机半导体杂化的双光电极无偏压光电催化全分解水制氢方法 | |
| CN115747861B (zh) | 一种用于太阳光全解水制氢的铜铋硫基光电化学电池 | |
| WO2024103781A1 (zh) | 基于p型铜基硫化物半导体薄膜的光电化学裂解水光阳极及其电极系统 | |
| WO2024109074A1 (zh) | 一种双阴极并联光驱动分解水制氢电极系统 | |
| Yang et al. | Synthesis and applications of znv2o6 nanomaterials | |
| Ding et al. | Fabrication strategies for high-performance unbiased PEC water splitting cells | |
| WO2009002424A2 (en) | Nano engineered photo electrode for photoelectrochemical, photovoltaic and sensor applications | |
| CN114351176B (zh) | 一种水分解制氢的方法及其装置 | |
| JP2012190901A (ja) | 量産に適した方法で製造可能な亜鉛含有光電変換素子 | |
| Marathey et al. | Effect of annealing temperature on the PEC performance of electrodeposited copper oxides | |
| CN117552030A (zh) | 一种GeSe基串联无偏压分解水制氢器件及其制备方法 | |
| Hou | Anodic TiO2 nanotube arrays for photoconversion based hydrogen production | |
| CN117552039A (zh) | 基于钒酸铋光阳极与银锑硫光阴极的串联光解水制氢装置 |
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 |