光电阴极及其制备方法、金属锂提取方法及提取装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种光电阴极及其制备方法、金属锂提取方法及提取装置，该光电阴极包括：光吸收基底；过渡金属氧化物层，形成于光吸收基底的表面；纳米颗粒，负载于过渡金属氧化物层的背离光吸收基底的表面，纳米颗粒包括金属纳米颗粒和合金纳米颗粒中的至少一种。该金属锂提取方法包括：以本发明专利技术上述的光电阴极为工作电极，与参比电极和对电极组成三电极体系；将三电极体系置于含锂溶液中，对光电阴极施加外加电压，并利用光线照射光电阴极，进行电解反应。本发明专利技术的光电阴极及金属锂提取方法能够在室温下实现对金属锂的绿色高效提取，提取装置结构简单、操作方便。操作方便。操作方便。

【技术实现步骤摘要】
光电阴极及其制备方法、金属锂提取方法及提取装置


[0001]本专利技术涉及光电化学
，特别是涉及一种光电阴极及其制备方法、金属锂提取方法及提取装置。

技术介绍

[0002]自1990年商品化锂离子电池面世以来，这种电池在人类生活中以各种形式快速发展，广泛地应用在手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子消费类产品中。2000年，世界范围内生产的锂离子电池大约是5亿只，在此基础上，锂离子电池每年报废200吨～500吨，这些锂离子电池中包括2％～7％的锂元素。
[0003]同其他电子废物一样，废弃锂离子电池具有资源性和环境污染性的双重特点：废电池含有大量有价成分，特别是材料中的锂离子，若是将其随意弃置，将造成资源的极大浪费；废电池的不当处理也会造成严重的环境污染。
[0004]因此，亟需寻求一种利用可再生能源绿色高效地提取废电池锂离子产生金属锂的方法，以防止环境污染和资源过度消耗，避免当前提取工艺和技术所存在的化石燃料消耗巨大和处理步骤繁琐等方面的缺陷。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要提供一种能够在室温下通过光电化学高效提取金属锂的光电阴极及其制备方法、金属锂提取方法及提取装置。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]根据本专利技术的一个方面，提供了一种光电阴极，包括：
[0008]光吸收基底；
[0009]过渡金属氧化物层，形成于所述光吸收基底的表面；及
[0010]纳米颗粒，负载于所述过渡金属氧化物层的背离所述光吸收基底的表面，所述纳米颗粒包括单一金属纳米颗粒和合金纳米颗粒中的至少一种。
[0011]在其中一些实施例中，所述过渡金属氧化物层的材料为氧化钨、氧化镍、氧化钼和氧化铱中的一种或多种。
[0012]在其中一些实施例中，所述光吸收基底为具有氮化硅保护层的P型硅基底。
[0013]在其中一些实施例中，所述单一金属纳米颗粒的材料为金、银、钯、钼和钨中的一种。
[0014]在其中一些实施例中，所述合金纳米颗粒的材料为金、银、钯、钼和钨中的多种形成的合金。
[0015]在其中一些实施例中，所述过渡金属氧化物层的厚度为2nm～20nm。
[0016]在其中一些实施例中，所述纳米颗粒的粒径为1nm～10nm。
[0017]根据本专利技术的另一方面，提供了一种光电阴极的制备方法，包括如下步骤：
[0018]通过磁控溅射在光吸收基底上形成过渡金属氧化物层；及
[0019]通过磁控溅射在所述过渡金属氧化物层上负载纳米颗粒，所述纳米颗粒包括单一金属纳米颗粒和合金纳米颗粒中的至少一种。
[0020]在其中一些实施例中，在所述过渡金属氧化物层上负载纳米颗粒之后，所述制备方法还包括：
[0021]将负载有纳米颗粒的光吸收基底进行真空退火处理。
[0022]在其中一些实施例中，所述光吸收基底的制备方法包括如下步骤：
[0023]通过化学刻蚀方法处理P型硅，得到纳米多孔的P型硅基底；及
[0024]通过磁控溅射在所述P型硅基底上形成氮化硅层。
[0025]在其中一些实施例中，所述真空退火处理的退火温度为150℃～450℃，退火时间为1min～3min。
[0026]根据本专利技术的另一方面，提供了一种金属锂提取方法，包括如下步骤：
[0027]以本专利技术上述的光电阴极为工作电极，与参比电极和对电极组成三电极体系；及
[0028]将所述三电极体系置于含锂溶液中，对所述光电阴极施加外加电压，并利用光线照射所述光电阴极，进行电解反应。
[0029]在其中一些实施例中，所述含锂溶液为锂离子电池电解液。
[0030]在其中一些实施例中，所述光电阴极的外加电压为
‑
1V～3V vs(Li
+
/Li)。
[0031]优选地，所述光电阴极的外加电压为
‑
0.4V～0.6V vs(Li
+
/Li)。
[0032]在其中一些实施例中，在所述电解反应中，向所述含锂溶液中通入保护气体，所述保护气体的压强为0.1MPa～5MPa。
[0033]根据本专利技术的另一方面，提供了一种金属锂提取装置，包括：
[0034]反应池，用于盛装含锂溶液；及
[0035]三电极体系，置于所述反应池内，所述三电极体系包括工作电极、参比电极和对电极，所述工作电极为本专利技术上述的光电阴极。
[0036]在其中一些实施例中，所述金属锂提取装置还包括：
[0037]电化学工作站，所述电化学工作站与所述三电极体系相连接。
[0038]在其中一些实施例中，所述金属锂提取装置还包括：
[0039]保护气体进气管，所述保护气体进气管的一端用于与保护气体源连接，另一端伸入所述反应池的底部；及
[0040]出气管，所述出气管的一端与所述反应池的内腔连通，另一端伸出至所述反应池的外部。
[0041]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0042]本专利技术的光电阴极，通过在光吸收基底的表面形成过渡金属氧化物层，在过渡金属氧化物层的表面负载单一金属和/或合金纳米颗粒，光吸收基底作为吸光器吸收光子并产生光生载流子，过渡金属氧化物层能够促进金属锂的提取和析出，具有显著的催化效果，单一金属和/或合金纳米颗粒能够进一步增强光电化学行为，促进金属离子的吸附和迁移。光吸收基底、过渡金属氧化物层以及纳米颗粒形成多层结构的光电阴极，通过各层之间的协同作用和功能性耦合，显著提升了光电化学提取金属锂的效率。
[0043]另外，本专利技术将上述的光电阴极与参比电极、对电极组成三电极体系，将三电极体系置于含锂溶液中，并与电化学工作站连接，施加外加电压并通过光线照射光电阴极，即可
使金属锂在光电阴极的表面析出，该金属锂提取方法能够在室温下实现对金属锂的绿色高效提取。
附图说明
[0044]图1为本专利技术实施例1的光电阴极的扫描电镜图。
[0045]图2为本专利技术实施例1在不同外加电压下反应后含锂溶液的气相质谱图。
[0046]图3为本专利技术实施例1中光电阴极的光电化学金属锂提取行为图。
[0047]图4为本专利技术实施例2中AuPd修饰后的光电阴极的LSV曲线。
[0048]图5为本专利技术实施例2中AuPd修饰后的光电阴极的IT曲线。
[0049]图6为本专利技术实施例1与实施例3的光电阴极的XRD图。
[0050]图7为本专利技术实施例3中光电阴极的光电化学金属锂提取行为图。
[0051]图8为本专利技术实施例4中退火处理后的光电阴极的LSV曲线。
[0052]图9为本专利技术实施例4中退火处理后的光电阴极的IT曲线。
[0053]图10为本专利技术的金属锂提取装置的结构示意简图。
[0054]附图标记说明：
[0055]10、反应池；20、三电极体系；21、工作电极；22、参比电极；2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电阴极，其特征在于，包括：光吸收基底；过渡金属氧化物层，形成于所述光吸收基底的表面；及纳米颗粒，负载于所述过渡金属氧化物层的背离所述光吸收基底的表面，所述纳米颗粒包括单一金属纳米颗粒和合金纳米颗粒中的至少一种。2.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述过渡金属氧化物层的材料为氧化钨、氧化镍、氧化钼和氧化铱中的一种或多种；和/或所述光吸收基底为具有氮化硅保护层的P型硅基底；和/或所述单一金属纳米颗粒的材料为金、银、钯、钼和钨中的一种；和/或所述合金纳米颗粒的材料为金、银、钯、钼和钨中的多种形成的合金。3.根据权利要求1所述的光电阴极，其特征在于，所述过渡金属氧化物层的厚度为2nm～20nm；和/或所述纳米颗粒的粒径为1nm～10nm。4.一种光电阴极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：通过磁控溅射在光吸收基底上形成过渡金属氧化物层；及通过磁控溅射在所述过渡金属氧化物层上负载纳米颗粒，所述纳米颗粒包括单一金属纳米颗粒和合金纳米颗粒中的至少一种。5.根据权利要求4所述的光电阴极的制备方法，其特征在于，在所述过渡金属氧化物层上负载纳米颗粒之后，所述制备方法还包括：将负载有纳米颗粒的光吸收基底进行真空退火处理，所述真空退火处理的退火温度为150℃～450℃，退火时间为1min～3min。6.根据权利要求4所述的光电阴极的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑建云，蒋莉，黄爱彬，王双印，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：