一种光电催化分解纯水的CIGS/CdS/Au光阴极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种光电催化分解纯水的CIGS/CdS/Au光阴极材料的制备方法，采用液相生长法，在FTO基底上生长铜铟镓硫吸收层材料，并利用化学浴沉积CdS缓冲层，及利用真空溅射Au层。通过对该光阴极薄膜材料的晶体结构、能带宽度及能级位置信息、元素价态、形貌进行表征，证实CIGS/CdS/Au光阴极材料已被成功制备。CIGS/CdS/Au光阴极材料中的p

【技术实现步骤摘要】
一种光电催化分解纯水的CIGS/CdS/Au光阴极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种光电催化分解纯水材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]相较煤炭、天然气、石油等传统燃料，氢能源具备储量丰富(水中蕴含氢元素)、能量密度大(是热值仅次于核能的优质能源)、反应零排放(燃烧产物是水，无碳排放)的天然优势，是理想的清洁能源。因此开发燃烧价值高、无污染的氢能源可以有效缓解当今世界的能源危机和环境污染问题。而氢气是一种二次能源，其制取方法需要其他能量的转化，需要寻求大规模廉价的制氢技术。在生产氢气的各种方法中，兼具光、电化学优势的光电化学(PEC)分解水制氢技术，具有极高的商业推广价值。
[0003]自从1972年，Honda和Fujishima第一次将PEC分解水电池带入大众视野，距今已过去了半个多世纪的时间，这种绿氢制备技术也逐渐被大众所认可。PEC分解水电池可直接利用太阳能和电能把水分解制取氢气，同时实现了太阳能的捕获、转化和储存一体化，是一种理想的太阳能转换技术之一。
[0004]PEC分解水电池由光电极、对电极和电解液组成。其中，光阳极和光阴极分别用于水氧化和还原反应。因此，光电极材料的性能优劣，直接决定了PEC分解水电池的太阳能
‑
氢能转换效率(STH)的大小。根据文献调研可知：要想实现PEC分解水电池的大规模产业化应用，要求其STH值不能小于10％。少数达到此要求的PEC分解水电池，又受制于制备成本高昂、光腐蚀严重的问题，仍无法进行大规模推广应用。与简单易获取的光阳极材料不同，传统的光阴极材料的吸收层，通常由p型半导体材料组成。其中拥有较窄能带隙值的铜铟镓硫(CIGS)材料，由于其对太阳光谱具的高响应能力，已被广泛用作光阴极吸收层材料，进行了大量的PEC分解水性能研究。因此，研发高活性的CIGS光阴极材料，对于提升其PEC分解水电池的STH值至关重要。然而传统CIGS光阴极材料的制备方法非常复杂，通常需要蒸镀、磁控溅射等真空制备工艺，一直难于进行市场推广。

技术实现思路

[0005]鉴于上述情况，专利技术人进行深入研究，发现了一种光电催化分解纯水的CIGS/CdS/Au光阴极材料及其制备方法。
[0006]本专利技术的目的是在于提供了一种光电催化分解纯水的CIGS/CdS/Au光阴极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)利用水和乙醇分别超声清洗FTO片后，烘干备用；
[0008](2)将一定比例的CuCl、InCl3、Ga(NO3)3，超声溶解于正己胺中，形成溶液A；
[0009](3)将二硫化碳缓慢滴加到正己胺中，形成溶液B；
[0010](4)将溶液A缓慢滴加到溶液B中形成前驱体溶液，将该前驱体溶液搅拌均匀后，转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，将FTO片导电面朝下，斜插进盛有反应液的内衬
中，于烘箱中反应，在FTO导电基底上液相生长CIGS薄膜材料；
[0011](5)将CIGS吸收层材料用镊子夹出，于水和乙醇中浸泡处理后，于烘箱中真空干燥，即得到CIGS吸收层材料。
[0012]优选地，所述水和乙醇的超声清洗时间为20
‑
60min；
[0013]优选地，所述CuCl∶InCl3∶Ga(NO3)3的摩尔比为1∶0.7∶0.3，按照1mmol金属盐∶4mL正己胺的比例，进行混溶；
[0014]优选地，所述二硫化碳与正己胺，按照1∶12的体积比例，进行混溶；
[0015]优选地，所述前驱体溶液搅拌时间为12
‑
24h；
[0016]优选地，所述烘箱中反应温度为120
‑
240℃，反应时间为1
‑
5h；
[0017]优选地，所述水和乙醇中浸泡处理时间为10
‑
60min；
[0018]优选地，所述烘箱真空干燥温度为50
‑
80℃，烘干时间为8
‑
16h。
[0019]进一步地，该制备方法还包括将CIGS吸收层材料进一步修饰CdS缓冲层的步骤，具体为：将醋酸镉、硫脲溶于氨水和去离子水的混合溶液中，配制化学浴反应液，将生长有CIGS吸收层的FTO基片放置其中，化学浴加热反应后，制备CIGS/CdS薄膜材料。
[0020]优选地，所述醋酸镉∶硫脲的摩尔比为1∶51.25；
[0021]优选地，所述混合溶液中氨水和去离子水的体积比为1∶6.8；
[0022]优选地，所述化学浴反应液中，按照1mmol金属盐∶13mL混合溶液的比例，进行混溶；
[0023]优选地，所述化学浴加热反应温度为50
‑
80℃，反应时间为120
‑
400s。
[0024]进一步地，该制备方法还包括在CIGS/CdS薄膜材料表层溅射Au层的步骤，具体为：将CIGS/CdS薄膜材料置于离子溅射仪中，对溅射室抽真空处理，对CIGS/CdS薄膜材料进行喷金处理，制备CIGS/CdS/Au光阴极材料。
[0025]优选地，所述溅射电流为10
‑
40mA；
[0026]优选地，所述溅射时间为15
‑
60s。
[0027]本专利技术还提供了一种如上述方法制备得到的光电催化分解纯水的CIGS/CdS/Au光阴极材料。
[0028]相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0029]在本专利技术中，我们首次用液相生长法制备了低成本、高性能的CIGS光阴极的吸收层材料薄膜，自然生长的CIGS吸收层薄膜材料拥有非常强的光吸收能力。与传统蒸镀、磁控溅射等真空制备方法相比，液相生长法操作简单、成本低廉；与刮涂法、滴涂法制膜方法相比，液相生长方法制备的薄膜材料具有更少的晶体缺陷，薄膜材料PEC分解水性能更强。在CIGS表层化学浴沉积CdS缓冲层，进一步溅射Au层后，制备的CIGS/CdS/Au光阴极材料，能够利用材料内部的p
‑
n异质结结构，高效分离、传输光生载流子，进一步利用Au纳米材料，对析氢反应进行动力学优化，从而提升其PEC分解水产氢活性。CIGS/CdS/Au光阴极材料组装的PEC分解水电池，展示了更正的起始电位(0.33V vs.RHE)，要高于纯CIGS光阴极(0.16V vs.RHE)的起始电位；在光照和0V(vs.RHE)偏压条件下，CIGS/CdS/Au光阴极材料展示了最高的瞬时光电流密度(
‑
0.28mA
·
cm
‑2)，是纯CIGS光阴极(
‑
0.03mA
·
cm
‑2)的7倍。
[0030]与传统制膜方法相比，本工作提出的液相生长法制备的CIGS吸收层材料，进一步化学浴沉积CdS缓冲层，并溅射Au层的光阴极制备方法，具有极高的PEC分解水应用潜力和
商业推广价值，具有较高的创新性和实用性。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电催化分解纯水的CIGS/CdS/Au光阴极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用水和乙醇分别超声清洗FTO片后，烘干备用；(2)将一定比例的CuCl、InCl3、Ga(NO3)3，超声溶解于正己胺中，形成溶液A；(3)将二硫化碳缓慢滴加到正己胺中，形成溶液B；(4)将溶液A缓慢滴加到溶液B中形成前驱体溶液，将该前驱体溶液搅拌均匀后，转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，将FTO片导电面朝下，斜插进盛有反应液的内衬中，于烘箱中反应，在FTO导电基底上液相生长CIGS薄膜材料；(5)将CIGS吸收层材料用镊子夹出，于水和乙醇中浸泡处理后，于烘箱中真空干燥，即得到CIGS吸收层材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，优选地，所述水和乙醇的超声清洗时间为20
‑
60min；优选地，所述CuCl∶InCl3∶Ga(NO3)3的摩尔比为1∶0.7∶0.3，按照1mmol金属盐：4mL正己胺的比例，进行混溶；优选地，所述二硫化碳与正己胺，按照1∶12的体积比例，进行混溶；优选地，所述前驱体溶液搅拌时间为12
‑
24h；优选地，所述烘箱中反应温度为120
‑
240℃，反应时间为1
‑
5h；优选地，所述水和乙醇中浸泡处理时间为10
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60min；优选地，所述烘箱真空干燥温度为50
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80℃，烘干时间为...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁群浩，宋金刚，黄熹，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：