一种光电极及制备方法及Pt基合金催化剂及其制备方法技术

本申请公开了一种光电极及制备方法及Pt基合金催化剂及其制备方法。该Pt基纳米合金催化剂的制备方法包括，将光电极放置于至少一个面为透光的包括电解质的电解池内，依据光源发出的激发光从电解池的透光面照射至光电极的表面，沿着激发光入射方向光电极包括依次层叠的活性金属层、钝化层、半导体光吸收层、背导电层及绝缘保护层，基于电化学工作站，且在激发光的照射下，并利用Pt电极、参比电极与光电极匹配，以对光电极的表面进行电化学处理，清洗电化学处理后的光电极，得到Pt基纳米合金催化剂及Pt基纳米合金催化剂修饰的光电极。剂及Pt基纳米合金催化剂修饰的光电极。剂及Pt基纳米合金催化剂修饰的光电极。

【技术实现步骤摘要】
一种光电极及制备方法及Pt基合金催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属光电化学领域，具体地涉及一种光电极及制备方法及Pt基合金催化剂及其制备方法，尤其涉及一种光辅助修饰纳米合金的技术。

技术介绍

[0002]近些年来，金属催化剂在光催化、电催化、生物传感等生化领域展现出越来越广泛的应用。将贵金属修饰到特定结构的电极表面通常可改善电荷在电极与溶液界面之间的转移，从而使得电极整体的电催化或光电化学性能得到显著提高。
[0003]目前，通过电沉积或光辅助电沉积技术将金属离子直接还原成金属单质而沉积在电极表面是电化学领域中修饰金属催化剂最广泛的方法。然而，在实际应用中，贵金属催化剂面临的资源匮乏、成本高和稳定性不佳等问题严重阻碍了其商业化发展。近来，研究者们试图开发低成本的非贵金属催化剂，但其催化活性及稳定性远达不到实际应用的要求(E.Kemppainen et al.,Energy Environ.Sci.,2015,8,2991)。最新研究发现，通过合金化贵金属的办法可有效减少贵金属的使用量，且合金催化剂仍可保持较理想的催化性能(S.L.Zhang et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,2021,60,19068)。因此，研发贵金属合金催化剂的修饰技术是目前学术界及工业界发展高效、低成本、长寿命电极的主要技术路线之一。
[0004]对于铂(Pt)基合金催化剂而言，目前较为广泛的制备方法是利用含Pt离子和其他金属离子的溶液经过多项化学反应和热处理而形成Pt基合金(如：Pt
‑r/>Cu纳米合金CN201810125085.4；Pd
‑
Pt纳米合金CN201510296670.7)。然而，这种方法制得的Pt基合金通常只适合于平面或表面粗糙度较小的电极，对于表面粗糙度很大的微纳结构电极(尤其是一维纳米结构阵列)而言，难以在这类微纳结构电极表面均匀地修饰上Pt基合金催化剂。此外，这种制备方法需要消耗大量试剂，且含有贵金属离子的盐或酸溶液利用率低，导致生产成本整体偏高与稀缺资源浪费。
[0005]因此，需要开发一种能在任意形貌的电极表面低价修饰上性能优异的Pt基合金催化剂。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术中Pt基合金催化剂制备过程复杂、资源损耗大且无法在微纳结构化光电极表面均匀修饰的技术问题，本申请的目的在于：提供一种能在室温(无需高温退火)、不含贵金属离子的电解液(无需额外配置含贵金属离子的前驱液)的条件下，在平面和微纳结构化光电极表面均可修饰上均匀分布的Ag
‑
Pt纳米合金的方法及制得Pt基合金催化剂。该方法中涉及到的对电极和参比电极可重复利用，可节约稀缺资源和降低对环境的影响。
[0007]为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：
[0008]一种光电极制备方法，选用p型单晶硅基底作为平面硅基底，包括：
[0009]1)对平面硅基底进行化学清洗之后，在平面硅基底正面进行纳米结构化处理，以
制得硅微纳米线阵列；
[0010]2)在所述平面硅基底正面或硅微纳米线阵列基底上沉积厚度介于1～5nm的钝化层；
[0011]3)在所述钝化层上沉积厚度介于10～80nm的包括金属钛、锆、铝、锌、铁或铜中至少一种的活性金属层；
[0012]4)在平面硅基底或硅微纳米线阵列的背面制作厚度介于100～5000nm的背导电层；
[0013]5)在所述背导电层上用粘合剂固定导线，同时绝缘密封所述背导电层、粘合剂和导线，使得平面硅基底或硅微纳米线阵列仅漏出沉积了活性金属层的区域作为光电极的有效工作区域，以获得光电极。该方式下获得所属的光电极单体，并在此基础上进一步的完善获取Pt基纳米合金催化剂修饰的光电极。
[0014]优选的，所述p型半导体基片为光吸收层，其掺杂浓度为10
14
～10
18
cm
‑3；所述光吸收层的厚度介于1～1000μm。
[0015]本申请提供一种上述光电极制备方法制备的光电极。
[0016]本申请提供一种Pt基(纳米)合金催化剂的制备方法(也称在光电极表面光辅助修饰Pt基纳米合金的方法)其特征在于，
[0017]将上述方法获得的待处理的复合层式结构的光电极放置于至少一个面为透光的包括电解质的电解池内，
[0018]依据光源发出的激发光从电解池的所述透光面照射至光电极的表面，沿着激发光入射方向所述光电极包括依次层叠的活性金属层、钝化层、半导体光吸收层、背导电层及绝缘保护层，
[0019]基于电化学工作站，且在激发光的照射下，并利用Pt电极、参比电极与光电极匹配，以对所述光电极的表面进行电化学处理，
[0020]清洗电化学处理后的光电极，得到Ag
‑
Pt纳米合金修饰的光电极。在光照下对光电极表面进行多次线性或循环电势扫描过程中，光电极活性金属层会逐渐被电解液溶解，同时伴随着Ag
‑
Pt纳米合金在光电极表面形成(即获得Pt基纳米合金修饰的光电极)。
[0021]优选的，在模拟太阳光照射下对所述光电极的表面进行电化学处理，所述电化学处理为重复的线性电势扫描，电势范围为+0.5V vs.RHE至
‑
2.5V vs.RHE。
[0022]优选的，扫描次数为5～20次。
[0023]优选的，所述电解质为0.1～5mol/L的硫酸、盐酸、硝酸、硼酸、磷酸或碳酸中的一种。
[0024]优选的，所述参比电极为饱和Ag|AgCl电极。
[0025]本申请还提供一种利用上述方法制备的Pt基合金催化剂。
[0026]有益效果
[0027]本申请实施方式，制备Pt基纳米合金能在室温(无需高温退火)、不含贵金属离子的电解液，且在无需额外配置含贵金属离子的前驱液的条件下，在平面和微纳结构化光电极表面均可光辅助修饰上均匀分布的Ag
‑
Pt纳米合金，且涉及到的对电极和参比电极可重复利用。Ag
‑
Pt纳米合金与工作电极正面活性金属的氧化和溶解过程是交替进行的，这种原位置换过程确保了所形成的纳米合金能在任意形貌的工作电极表面形成，且纳米合金的尺
寸可控，空间分布是均匀的。并通过试验验证本申请提出的实施方式获得的纳米合金催化剂，具有优异和稳定的催化活性，所得光电极具有优异的光电化学性能。
附图说明
[0028]图1：在平面光电极表面光辅助修饰Pt基纳米合金的流程图；
[0029]图1a：为图1方法获取的辅助修饰Pt基纳米合金的截面示意图；
[0030]其中：11为平面硅基底，12为背导电层，13为钝化层，14为活性金属层，15为从背导电层引出的导线，16为绝缘保护层，17为Pt基纳米合金层；
[0031]图2：Pt基纳米合金层修饰的硅微纳米线阵列光电极的结构示意图；
[0032]其中：21为硅微纳米线阵列；
[0033本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电极制备方法，选用p型单晶硅基底作为平面硅基底，其特征在于包括：1)对平面硅基底进行化学清洗之后，在平面硅基底正面进行纳米结构化处理，以制得硅微纳米线阵列；2)在所述平面硅基底正面或硅微纳米线阵列基底上沉积厚度介于1～5nm的钝化层；3)在所述钝化层上沉积厚度介于10～80nm的包括金属钛、锆、铝、锌、铁或铜中至少一种的活性金属层；4)在平面硅基底或硅微纳米线阵列基底的背面制作厚度介于100～5000nm的背导电层；5)在所述背导电层上用粘合剂固定导线，同时绝缘密封所述背导电层、粘合剂和导线，使得平面硅基底或硅微纳米线阵列仅漏出沉积了活性金属层的区域作为光电极的有效工作区域，以获得光电极。2.如权利要求1所述的一种光电极制备方法，其特征在于，所述p型单晶硅基底为光吸收层，掺杂浓度为10
14
～10
18
cm
‑3；所述光吸收层的厚度介于1～1000μm。3.一种光电极，其特征在于：使用权利要求1或2的一种光电极制备方法获得。4.一种Pt基纳米合金催化剂的制备方法，其特征在于，将如权利要求3的光电极放置于至少一个面为透光的且包括电解质的电解池内，依据光源发出的激发光从电解池的所述透光面照射至光电极的表面，沿着激发光入射方向所述光电极包括依次层叠的活...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刘晶，吴绍龙，郭培基，李孝峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：