CN115821308A - 光电极及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电化学技术领域，特别是涉及一种光电极及其制备方法。所述光电极包括半导体吸光器、保护层和助催化剂层；所述保护层设置于半导体吸光器表面，所述助催化剂层设置于保护层表面；所述保护层为过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层交替叠合至少两次；所述保护层的两侧为过渡金属氧化物层；所述助催化剂层为原子级金属颗粒层。该光电极具有良好的光电化学转化效率和稳定性，其饱和电流密度值能至35mA/cm²，在强酸强碱下稳定运行300h以上。

Description

光电极及其制备方法与应用

方法领域

本发明涉及光电化学技术领域，特别是涉及一种光电极及其制备方法与应用。

背景方法

太阳能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，每秒辐射到地球的能量约为1.47×10¹⁴焦，相当于燃烧500万吨煤所释放的能量，远超地球所有生命生存时的能量总额，具有较高的利用价值。利用太阳能合成化学物质和燃料的途径主要包括三个体系：光催化、光伏-电催化和光电化学。其中，从技术就绪水平、可用性、经济性和原材料等方面考虑，光电化学相比于其它两种体系具有最优的性价比，在光化学转换领域上具有广阔的潜在应用前景。

光电极是光电化学反应体系的核心部件，决定了光电化学反应效率和器件寿命，参与光吸收、载流子生成、分离和转移、以及界面催化反应等作用，其可以吸收光能从而产生电子-空穴对，再将产生的电荷载流子分离并传输到半导体-电解质界面进行反应。常用的光电极材料包括过渡金属氧化物半导体(TiO₂、CuO等)和非氧化物半导体(硅、氮化物等)。为了改进上述材料的性能，对于过渡金属氧化物半导体TiO₂改进主要采用与贵金属形成复合材料，比如Au/TiO₂复合结构，其在TiO₂纳米管上形成一层Au薄膜，并进行高温退火，用以提高对光的吸收率和光电转化性质，又比如钴钌复合掺杂二氧化钛，用于不同波段光的吸收，扩大材料的频谱响应范围。对于非氧化物半导体Si改进主要通过改变硅的结构，比如通过将晶体硅颗粒为原料以乙醇为溶剂、以聚乙烯吡咯烷酮为添加剂，通过超声剥离和电泳沉积两步制成由超薄晶体硅纳米片，用以提高载流子迁移率；又比如在硅片上沉积二硫化钼以及活性薄膜层，从而促进光生载流子，并降低阻抗。

但是，上述光电极无法克服光电极的稳定性和传导性难以兼容的技术问题，限制了光电极的应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种太阳能-化学能长期稳定、高效转化的光电极及其制备方法、应用。

本发明的一个方面，提供了一种光电极，所述光电极包括半导体吸光器、保护层和助催化剂层；所述保护层设置于半导体吸光器表面，所述助催化剂层设置于保护层表面；

所述保护层为过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层交替叠合至少两次；所述保护层的两侧为过渡金属氧化物层；

所述助催化剂层为原子级金属颗粒层。

在一个实施例中，所述半导体吸光器中的半导体材料为ⅥA元素的金属化合物或硅基半导体材料，包括如下技术特征：

所述ⅥA元素的金属化合物为氧化铟、硒化亚铜、硒化银、硒化锡、硫化亚铜和硫化银中的一种或多种；

所述硅基半导体材料选用n+p型或p+n型的硅片，所述硅片为多晶硅或单晶硅。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层的厚度为0.5-5nm；所述原子级金属颗粒层的厚度为0.5～2nm。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层中的过渡金属氧化物为氧化钛、氧化镍、氧化钴、氧化铜、氧化镉、氧化钨、氧化锆、氧化铁和氧化锰中的一种或多种。

在一个实施例中，所述原子级金属颗粒层中的金属颗粒粒径为0.5-2nm。

在一个实施例中，所述原子级金属颗粒层中的金属为贵金属和过渡金属中的一种或两种。

在一个实施例中，所述贵金属为铂、金、银、铑、钯和钌中的一种或多种；所述过渡金属为铜、铁、钴、镍、钛和铬中的一种或多种。

本发明实施例还提供了一种光电极的制备方法，包括：

(a)利用半导体材料制备半导体吸光器；

(b)采用磁控溅射方法在所述半导体吸光器上交替沉积过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层至少两次，获得光电极。

在一个实施例中，所述步骤(b)包括：

以第一过渡金属为溅射靶材，以氧气为溅射气体，在所述半导体吸光器的表面沉积所述过渡金属氧化物层；然后以第二过渡金属和/或贵金属为溅射靶材，以惰性气体为溅射气体，沉积所述原子级金属颗粒层；

交替重复沉积所述过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层至少两次，获得所述光电极；

所述第一过渡金属为钛、镍、钴、铜、镉、钨、锆、铁和锰中的一种或多种；所述第二过渡金属为铜、铁、钴、镍、钛和铬中的一种或多种。

本发明又提供了上述的光电极在水分解、二氧化碳还原、氮气还原及氮氧化物还原中的应用。

有益效果：

(1)本发明通过在半导体吸光器上设置多层保护层，保护层包括过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层，最外层的原子级金属颗粒层作为催化层，具有高的光电化学转化效率和稳定性，其饱和电流密度值能至35mA/cm²，在强酸强碱下稳定运行300h以上。保护层既能传到载流子，又能起到防护作用，催化层中的原子级粒子能够作为载流子的传导，和多层叠加保护层能够有效的结合，共同起到了载流子传导和防护性能。

(2)本发明的高效稳定的多层结构的光电极的制备方法，通过磁控溅射方法实现多层结构的沉积和厚度的控制，操作简单，成本较低，且产品质量稳定，可应用于工业生产。

附图说明

图1为实施例1提供的(Cu-WO₂)₁₈/Si多层光电极的截面扫描电镜图；

图2为实施例2提供的(Au-TiO₂)₅/Si光电极表面的扫描电镜图；

图3为(Au-TiO₂)₅/Si、Au/Si、TiO₂/Si光电极作为光电阳极在氧析出反应中的对比分析图；

图4为(Pt-CoO)₅/SnSe、SnSe和Pt-CoO/SnSe光电极作为光电阴极在氢析出反应中的对比分析图；

图5为(Pt-CoO)₅-SnSe光电极光电化学稳定性测试。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。

本发明中的词语“优选地”、“更优选地”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。

当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。

除非另外指明，所有百分比、分数和比率都是按本发明组合物的总质量计算的。除非另外指明，有关所列成分的所有质量均给予活性物质的含量，因此它们不包括在可商购获得的材料中可能包含的溶剂或副产物。本文术语“质量百分比含量”可用符号“％”表示。除非另外指明，在本文中所有的分子量都是以道尔顿为单位表示的重均分子量。除非另外指明，在本文中所有配制和测试发生在25℃的环境。本文中“包括”、“包含”、“含”、“含有”、“具有”或其它变体意在涵盖非封闭式包括，这些术语之间不作区分。术语“包含”是指可加入不影响最终结果的其它步骤和成分。本发明的组合物和方法/工艺包含、由其组成和基本上由本文描述的必要元素和限制项以及本文描述的任一的附加的或任选的成分、组份、步骤或限制项组成。本文中术语“效能”、“性能”、“效果”、“功效”之间不作区分。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供了一种光电极，所述光电极包括半导体吸光器、保护层和助催化剂层；所述保护层设置于半导体吸光器表面，所述助催化剂层设置于保护层表面；

所述保护层为过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层交替叠合至少两次；所述保护层的两侧为过渡金属氧化物层；

所述助催化剂层为原子级金属颗粒层。

在具体的示例中，所述半导体吸光器中的半导体材料为ⅥA元素的金属化合物或硅基半导体材料，具体包括如下技术特征：

所述ⅥA元素的金属化合物为氧化铟、硒化亚铜、硒化银、硒化锡，硫化亚铜，硫化银中的一种或多种。

所述硅基半导体材料选用n⁺p型或p⁺n型的硅片，所述硅片为多晶硅或单晶硅。进一步的，所述n⁺p型的硅片通过将n型硅片清洗后表面涂覆B₂O₃乙醇或水溶液，在真空或惰性气氛中温度为500～1000℃条件下进行热处理的方法制备获得；其中B₂O₃乙醇或水溶液的浓度为0.001～10mol/L；热处理时间为1～60min。所述p⁺n型的硅片通过将p型硅片清洗后表面涂覆P₂O₅乙醇或水溶液，在真空或惰性气氛中温度为500～1000℃条件下进行热处理的方法制备获得；其中P₂O₅乙醇或水溶液的浓度为0.001～10mol/L；热处理时间为1～60min。

在具体的示例中，所述过渡金属氧化物层的厚度为0.5-5nm，当保护层过厚时无法传到载流子，保护层过薄难以起到防护作用；所述原子级金属颗粒层的厚度为0.5～2nm。

在具体的示例中，所述过渡金属氧化物层中的过渡金属氧化物为氧化钛、氧化镍、氧化钴、氧化铜、氧化镉、氧化钨、氧化锆、氧化铁和氧化锰中的一种或多种。

在具体的示例中，所述原子级金属颗粒层中的金属颗粒粒径为0.5-2nm。

在具体的示例中，所述原子级金属颗粒层中的金属为贵金属和过渡金属中的一种或两种。进一步的，所述贵金属颗粒中的贵金属为铂，金，银，铑，钯和钌中的一种或多种；所述过渡金属颗粒中的过渡金属为铜、铁、钴、镍、钛和铬中的一种或多种。

本发明还提供了一种光电极的制备方法，包括：

(a)利用半导体材料制备半导体吸光器；

(b)采用磁控溅射方法在所述半导体吸光器上交替沉积过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层至少两次，获得光电极。

在具体的示例中，所述半导体材料为n⁺p型硅片，所述步骤(a)包括：

将n型硅片清洗后表面涂覆B₂O₃乙醇或水溶液，在真空或惰性气氛中温度为500～1000℃条件下进行热处理获得n⁺p型硅片；其中B₂O₃乙醇或水溶液为0.001～10mol/L；热处理时间为1～60min；将所述n⁺p型硅片采用磁控溅射方法进行活化清洗。

在具体实例中，所述半导体材料为p⁺n型硅片，所述步骤(a)包括：

将p型硅片清洗后表面涂覆P₂O₅乙醇或水溶液，在真空或惰性气氛中温度为500～1000℃条件下进行热处理获得p⁺n型硅片；其中P₂O₅乙醇或水溶液为0.001～10mol/L；热处理时间为1～60min；将所述n⁺p型硅片采用磁控溅射方法进行活化清洗。

在具体示例中，所述半导体材料为ⅥA元素的金属化合物，所述步骤(a)包括：

将导电玻璃基底清洗并采用磁控溅射方法进行活化清洗，获得活化玻璃基底；以高纯度ⅥA元素的金属化合物为靶材，以高纯氩气作为溅射气体，采用磁控溅射方法在所述活化玻璃基底上沉积ⅥA元素的金属化合物膜，获得半导体吸光器；所述沉积ⅥA元素的金属化合物膜过程的工艺参数为：腔体气压0.3～5.0Pa，直流功率100～1000W，薄膜厚度0.1～10μm。

在具体的示例中，所述采用核磁溅射方法进行活化清洗，包括：当真空度至10^-4Pa以下时，通入高纯惰性气体作为离化气体，打开脉冲偏压电源，辉光放电产生等离子体进行活化清洗；所述活化清洗过程的工艺参数为：气压3～10.0Pa，脉冲偏压0～-1200V，清洗时间5～60min。

在具体的示例中，所述步骤(b)包括：

以第一过渡金属为溅射靶材，以氧气为溅射气体，在所述半导体吸光器的表面沉积所述过渡金属氧化物层；然后以第二过渡金属和/或贵金属为溅射靶材，以惰性气体为溅射气体，沉积所述原子级金属颗粒层；

交替重复沉积所述过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层至少两次，获得所述光电极；

所述第一过渡金属为钛、镍、钴、铜、镉、钨、锆、铁和锰中的一种或多种；所述第二过渡金属为铜、铁、钴、镍、钛和铬中的一种或多种。

在具体的示例中，沉积所述过渡金属氧化物层的工艺参数为：腔体气压0.3～5.0Pa，射频脉冲功率50～300W，薄膜厚度1～50nm。

在具体的示例中，沉积所述原子级金属颗粒层的工艺参数为：腔体气压0.3～5Pa，直流功率20～100W，颗粒大小0.5～2nm。

本发明又提供了上述光电极在水分解、二氧化碳还原以及氮气及氮氧化物还原中的应用。

以下为具体实施例进行进一步说明。

实施例1

一种(Cu-WO₂)₁₈/Si光电极，其制备方法如下：

半导体吸光器的制备：选取p型Si(100)基片为基底，超声清洗后表面涂覆浓度为0.1mol/L的P₂O₅乙醇的稀溶液，然后在真空或惰性气氛中900℃高温处理10min，冷却至室温取出。将上述处理后的p⁺n硅片放入磁控溅射镀膜机的样品台中，当真空度至10^-4Pa以下时，通入高纯氩气作为离化气体，调至腔室压力为8.6Pa，打开脉冲偏压电源，调至-900V，辉光放电产生等离子体，对硅表面进行活化清洗。等离子体活化完毕后关闭偏压。

(Cu-WO₂)₁₈/Si光电极的制备：选用高纯钨靶作为溅射靶材，以高纯氧气为溅射气体，调至腔室压力为2.0Pa，沉积500s后，关闭氧气阀门，打开高纯氩气作为溅射气体，调至腔室压力为1.0，转换高纯Cu靶为溅射靶材，沉积5s后关闭，此为一个Cu-WO₂单元层，重复此过程18次，得到(Cu-WO₂)₁₈/Si多层光电极。

实施例2

一种(Au-TiO₂)₅/Si光电极，其制备方法如下：

半导体吸光器的制备：选取n型Si(100)基片为基底，超声清洗后将n型硅片清洗后，表面涂覆浓度为0.1mol/L的B₂O₃乙醇或水的稀溶液，然后在真空或惰性气氛中900℃高温处理10min，冷却至室温取出。将上述处理后的n⁺p硅片放入磁控溅射镀膜机的样品台中，当真空度至10^-4Pa以下时，通入高纯氩气作为离化气体，调至腔室压力为8.6Pa，打开脉冲偏压电源，调至-1000V，辉光放电产生等离子体，对硅表面进行活化清洗。等离子体活化完毕后关闭偏压。

(Au-TiO₂)₅/Si光电极的制备：选用高纯钛靶作为溅射靶材，以高纯氧气为溅射气体，调至腔室压力为1.0Pa，沉积120s后，关闭氧气阀门，打开高纯氩气作为溅射气体，调至腔室压力为1.0Pa，转换高纯金靶为溅射靶材，沉积5s后关闭，此为一个Au-TiO₂单元层，重复此过程5次，得到Au-TiO₂/Au-TiO₂/Au-TiO₂/Au-TiO₂/Au-TiO₂/Si多级光电极。

实施例3

一种(Pt-CoO)₅/SnSe光电极，其制备方法如下：

半导体吸光器的制备：将导电玻璃ITO超声清洗后放入磁控溅射镀膜机的样品台中，当真空度至10^-4Pa以下时，通入高纯氩气作为离化气体，调至腔室压力为8.6Pa，打开脉冲偏压电源，调至-1000V，辉光放电产生等离子体，对硅表面进行活化清洗。等离子体活化完毕后关闭偏压。活化完毕后，利用磁控溅射的方法制备SnSe化合物薄膜，选用高纯度的SnSe化合物材料作为溅射靶材，以高纯氩气作为溅射气体，基体附加脉冲负偏压，沉积参数是：腔室压力为0.4Pa，基底偏压为0V，沉积时间60min。沉积完毕后关掉氩气阀门。

(Pt-CoO)₅/SnSe光电极的制备：选用高纯钴靶作为溅射靶材，以高纯氧气为溅射气体，调至腔室压力为1.0Pa，沉积120s后，关闭氧气阀门，打开高纯氩气作为溅射气体，调至腔室压力为1.0Pa，转换高纯铂靶为溅射靶材，沉积5s后关闭，此为一个Pt-CoO单元层，重复此过程5次，获得(Pt-CoO)₅-SnSe光电极材料。

对比例1

TiO₂/Si光电极的制备：按照实施例2步骤(1)处理硅片，然后在处理后的硅片上沉积TiO₂层，选用高纯钛靶作为溅射靶材，以高纯氧气为溅射气体，调至腔室压力为0.1Pa，沉积600s后，关闭氧气阀门，得到TiO₂-Si光电极。

对比例2

Au/Si光电极的制备：

半导体吸光器的制备：选取n型Si(100)基片为基底，超声清洗后将n型硅片清洗后，表面涂覆浓度为0.1mol/L的B₂O₃乙醇或水的稀溶液，然后在真空或惰性气氛中900℃高温处理10min，冷却至室温取出。将上述处理后的n⁺p硅片放入磁控溅射镀膜机的样品台中，当真空度至10^-4Pa以下时，通入高纯氩气作为离化气体，调至腔室压力为8.6Pa，打开脉冲偏压电源，调至-1000V，辉光放电产生等离子体，对硅表面进行活化清洗。等离子体活化完毕后关闭偏压。

Au/Si光电极的制备：打开高纯氩气作为溅射气体，调至腔室压力为1.0Pa，转换高纯金靶为溅射靶材，沉积5s后关闭，获得Au/Si光电极。

对比例3

Pt-CoO/SnSe光电极的制备：该制备方法与实施例3的区别在于，只沉积一个Pt-CoO单元层，不进行重复。其他过程与参数与实施例3完全相同。

对比例4

SnSe光电极的制备：制备方法与实施例2步骤1保持一致。

性能测试

将实施例1获得的(Cu-WO₂)₁₈/Si多层光电极的截面扫描电镜图，如附图1所示，从图中可以看出每一层Cu-WO₂层厚度约为5nm左右，共为18层。

将实施例2获得的(Au-TiO₂)₅/Si光电极利用场发射扫描电镜进行表面分析，如附图2所示，光电极表面均匀分布Au纳米颗粒，光电极表面致密，无大颗粒等团聚现象。

将实施例2、对比例1、2获得的(Au-TiO₂)₅/Si光电极、TiO₂/Si光电极、Au/Si光电极作为光电阳极应用到光电化学分解水制氧中，通过PEC 1000黑箱系统在1M的NaOH水溶液中进行三电极电解池(基于光电阳极作为工作电极，以Pt线作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极)，并使用太阳光模拟器(氙灯光源，FX300)照射太阳光(AM 1.5G，100mW·cm^-2)，在每次测量之前，用参考硅太阳能电池和一个用于太阳模拟器辐照度的读数仪，使用CHI 630E电化学工作站收集了没有iR补偿的线性扫描伏安法(JV)数据。测量时，以0.005V·s^-1的扫描速率线性扫描电压，使用以下关系将Ag/AgCl的读数转换为RHE。

E(RHE)＝E(Ag/AgCl)+0.197V+0.059ⅹpH

如附图3所示。相比于其他光电极，(Au-TiO₂)₅/Si光电极具有优异的氧析出电位和高的光响应电流，TiO₂/Si、Au/Si光电极在光电催化氧析出反应中光电流较低。

将实施例3、对比例3、4获得的(Pt-CoO)₅/SnSe光电极、Pt-CoO/SnSe光电极和SnSe光电极作为光电阴极应用到光电催化分解水反应制氢中，通过PEC1000黑箱系统在0.05M的H₂SO₄水溶液中进行三电极电解池(基于光电阴极作为工作电极，以Pt线作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极)，并使用太阳光模拟器(氙灯光源，FX300)照射太阳光(AM 1.5G，100mW·cm^-2)，在每次测量之前，用参考硅太阳能电池和一个用于太阳模拟器辐照度的读数仪，使用CHI 630E电化学工作站在不带照明或不带照明的情况下，收集了没有iR补偿的线性扫描伏安法(JV)数据。测量时，以0.005V·s^-1的扫描速率线性扫描电压，使用以下关系将Ag/AgCl的读数转换为RHE。

E(RHE)＝E(Ag/AgCl)+0.197V+0.059ⅹpH

其氢析出反应结果如图4所示。其中(Pt-CoO)₅/SnSe光电极具有更低的氢析出点位，而SnSe光电极在反应中的电势超过了400mV。

将实施例3获得的(Pt-CoO)₅/SnSe光电极进行稳定性测试，通过PEC 1000黑箱系统在0.05M的H₂SO₄水溶液中进行三电极电解池(基于光电阴极作为工作电极，以Pt线作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极)，并使用太阳光模拟器(氙灯光源，FX300)照射太阳光(AM1.5G，100mW·cm^-2)，在每次测量之前，用参考硅太阳能电池和一个用于太阳模拟器辐照度的读数仪，使用CHI 630E电化学工作站在不带照明或不带照明的情况下，收集了没有iR补偿的i-t数据。测量时，运行电压为0V vs RHE。

其结果如图5所示，可知多级结构光电极的能够稳定运行300h以上，达到了工业应用水平。

以上所述实施例的各方法特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个方法特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些方法特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通方法人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光电极，其特征在于，所述光电极包括半导体吸光器、保护层和助催化剂层；所述保护层设置于半导体吸光器表面，所述助催化剂层设置于保护层表面；

所述保护层为过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层交替叠合至少两次；所述保护层的两侧为过渡金属氧化物层；

所述助催化剂层为原子级金属颗粒层。

2.根据权利要求1所述的光电极，其特征在于，所述半导体吸光器中的半导体材料为ⅥA元素的金属化合物或硅基半导体材料，包括如下技术特征：

所述ⅥA元素的金属化合物为氧化铟、硒化亚铜、硒化银、硒化锡、硫化亚铜和硫化银中的一种或多种；

所述硅基半导体材料选用n+p型或p+n型的硅片，所述硅片为多晶硅或单晶硅。

3.根据权利要求1-2任一项所述的光电极，其特征在于，所述过渡金属氧化物层的厚度为0.5-5nm；所述原子级金属颗粒层的厚度为0.5～2nm。

4.根据权利要求1-2任一项所述的光电极，其特征在于，所述过渡金属氧化物层中的过渡金属氧化物为氧化钛、氧化镍、氧化钴、氧化铜、氧化镉、氧化钨、氧化锆、氧化铁和氧化锰中的一种或多种。

5.根据权利要求1-2任一项所述的光电极，其特征在于，所述原子级金属颗粒层中的金属颗粒粒径为0.5-2nm。

6.根据权利要求1-2任一项所述的光电极，其特征在于，所述原子级金属颗粒层中的金属为贵金属和过渡金属中的一种或两种。

7.根据权利要求6任一项所述的光电极，其特征在于，所述贵金属为铂、金、银、铑、钯和钌中的一种或多种；所述过渡金属为铜、铁、钴、镍、钛和铬中的一种或多种。

8.一种光电极的制备方法，其特征在于，包括：

(a)利用半导体材料制备半导体吸光器；

(b)采用磁控溅射方法在所述半导体吸光器上交替沉积过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层至少两次，获得光电极。

9.根据权利要求8所述的光电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)包括：

以第一过渡金属为溅射靶材，以氧气为溅射气体，在所述半导体吸光器的表面沉积所述过渡金属氧化物层；然后以第二过渡金属和/或贵金属为溅射靶材，以惰性气体为溅射气体，沉积所述原子级金属颗粒层；

交替重复沉积所述过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层至少两次，获得所述光电极；

所述第一过渡金属为钛、镍、钴、铜、镉、钨、锆、铁和锰中的一种或多种；所述第二过渡金属为铜、铁、钴、镍、钛和铬中的一种或多种。

10.权利要求1-7任一项所述的光电极在水分解、二氧化碳还原、氮气还原及氮氧化物还原中的应用。

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