一种石墨烯增强光催化辅助电解水制氢阳极的制作方法

本发明涉及制氢技术领域，具体涉及一种石墨烯增强光催化辅助电解水制氢阳极。

背景技术：

能源危机和环境污染是当今社会面临的严峻挑战。因为氢能具有高效和清洁的特点，被普遍认为是最适当的能源载体。虽然相对于电解水制氢，光催化辅助电解水制氢具有更高的效率，但是在光催化辅助电解水制氢中，阳极对光的利用不足，限制了制氢效率的进一步提高。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了一种石墨烯增强光催化辅助电解水制氢阳极，该阳极包括基底层、石墨烯层、二氧化钛层；基底层的表面设有周期性楔形沟槽，石墨烯层置于基底层上，二氧化钛层置于石墨烯层上。

更进一步地，在沟槽的底部设有由基底层和石墨烯层围成的空腔。

更进一步地，在空腔内设有贵金属颗粒。

更进一步地，在空腔内设有催化剂。

更进一步地，沟槽为非对称的。

更进一步地，沟槽两侧面的角度不同。

更进一步地，在沟槽两侧二氧化钛层的厚度不同。

更进一步地，催化剂层的材料为金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物。

更进一步地，贵金属为金或银。

更进一步地，还包括碳纳米管，碳纳米管置于二氧化钛层表面、沟槽内。

本发明的有益效果：本发明提供了一种石墨烯增强光催化辅助电解水制氢阳极，该阳极包括基底层、石墨烯层、二氧化钛层；基底层的表面设有周期性楔形沟槽，石墨烯层置于基底层上，二氧化钛层置于石墨烯层上。本发明利用沟槽聚集入射光，增强入射光与二氧化钛层的相互作用；利用石墨烯层增强光生空穴的寿命，提高阳极的强氧化活性；利用二氧化钛层上的凸起增强二氧化钛层的析氧能力。当该阳极用于光催化辅助电解水装置制氢时，这些方面的作用均有利于提高装置的制氢效率。本发明具有制备方法简单、制氢效率高的优点，在光催化辅助电解水制氢领域具有重要的应用价值。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是石墨烯增强光催化辅助电解水制氢阳极的示意图。

图2是又一种石墨烯增强光催化辅助电解水制氢阳极的示意图。

图3是再一种石墨烯增强光催化辅助电解水制氢阳极的示意图。

图中：1、基底层；2、石墨烯层；3、二氧化钛层；4、空腔。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种石墨烯增强光催化辅助电解水制氢阳极。如图1所示，该阳极包括基底层1、石墨烯层2、二氧化钛层3。基底层1为导电材料。优选地，基底层1为镍。基底层1的表面设有周期性楔形沟槽。石墨烯层2置于基底层1上，也就是说，石墨烯层2覆盖基底层1，在沟槽的两侧面也覆盖有石墨烯层2。二氧化钛层3置于石墨烯层2上，也就是说二氧化钛层3覆盖石墨烯层2，在沟槽的两侧面、在石墨烯层2上覆盖有二氧化钛层3。

应用时，本实施例中的阳极、阴极、隔膜置于电解池内。铂作为阴极。在太阳光照射下，阳极产生光生空穴，光生空穴具有很强的氧化活性，提高电解池阳极的析氧性能，在直流电压的驱动下，光声电子迁移到阴极，在阴极的发生析氢过程，并产生氢气。本发明中在基底层1上设有沟槽，从而在二氧化钛层3上形成沟槽。当入射光照射到二氧化钛层3上时，入射光聚集在沟槽内，增强了二氧化钛层3对入射光的吸收，增强了入射光与二氧化钛层3的相互作用，提高了二氧化钛层3的产生光生空穴和光生电子的能力。此外，本发明在二氧化钛层3的下面设置石墨烯层2，二氧化钛层3产生的光生电子耦合石墨烯层2，增加了光生空穴和光生电子的分离，增加了光生空穴和光生电子的寿命，提升了二氧化钛层3的催化性能。另外，本发明通过在基底层1上设置沟槽，在二氧化钛层3的上表面也形成了沟槽，倾斜的表面有利于氧气气泡从二氧化钛层3的表面脱离，提升了二氧化钛层3的脱附能力，进一步提升了二氧化钛层3的析氧能力。当本发明的阳极用于光催化辅助电解水装置制氢时，这三方面的作用均有利于提升装置的制氢效率。

在制备时，第一步，制备基底层1；第二步，在基底层1上设置沟槽，可以通过压印的方法或者离子束刻蚀的方法制备沟槽；第三步，在基底层1的上表面设置石墨烯层2；第四步，在石墨烯层2上制备二氧化钛层3。本实施例的制备方法简单。

综述所述，本发明具有制备方法简单、制氢效率高的优点，在光催化辅助电解水制氢领域具有重要的应用价值。

优选地，二氧化钛层3的材料为二氧化钛纳米管或多孔状二氧化钛薄膜。因为二氧化钛纳米管或多孔状二氧化钛薄膜的比表面积大，独特的纳米管网络结构或多孔状结构减少了光生电子与光生空穴复合几率，提升了材料的催化性能。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，在沟槽的底部设有由基底层1和石墨烯层2围成的空腔。也就是说，空腔设置在沟槽的底部，空腔的底部为基底层1，空腔的上表面为石墨烯层2。当入射光穿透二氧化钛层3后，能量聚集在空腔内。这些能量耗散后，在空腔附近产生热，提高了阳极的温度，提升了二氧化钛层3的氧化活性，提升了阳极的析氧能力，最终提升了整个装置的制氢效率。

更进一步地，在空腔内设有贵金属颗粒。贵金属颗粒为金、银、铂。贵金属颗粒具有很好的表面等离激元共振特性，对光具有优良的吸收特性，能够增加光的吸收，更多地提升阳极温度，提升整个装置的制氢效率。优选地，贵金属颗粒为铂。因为铂具有催化能力，更进一步提升阳极的产生光生电子和光生空穴的能力，提升整个装置的制氢效率。

更进一步地，在空腔内设有催化剂。催化剂的材料可以为金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物。在空腔内设置催化剂，聚集在空腔内的光与催化剂往复作用，充分利用了空腔内的光，也充分利用了入射光，提升了阳极的产生光生电子和光生空穴的能力。

实施例3

在实施例1的基础上，如图3所示，沟槽为非对称的，沟槽两侧面的角度不同，也就是沟槽两侧面的坡度不同。当二氧化钛层3表面析出氧气时，由于沟槽两侧面的坡度不同，沟槽两侧面对氧气气泡的吸附能力不同。对于同样尺寸的气泡，在一侧的气泡脱离侧面时，在沟槽内产生紊流，该紊流产生了对另一侧气泡的作用，从而导致另一侧的气泡脱离侧面。如此一来，二氧化钛层3表面的氧气气泡容易脱离二氧化钛层3，这样的设计提升了二氧化钛层3的脱附能力。

更进一步地，在沟槽两侧二氧化钛层3的厚度不同。厚度的不同也是为了产生对氧气气泡不同的吸附能力，在沟槽内形成紊流，增加对氧气气泡的作用，提升氧气气泡的脱附能力。

实施例4

在实施例3的基础上，还包括碳纳米管，碳纳米管置于二氧化钛层3的表面、沟槽内。也就是说，碳纳米管设置在二氧化钛层3表面的沟槽内。沟槽内聚集光能量，提升了光与碳纳米管的作用，因为碳纳米管也具有很强的催化能力，这有利于产生更多的光生电子和光生空穴，提升整个装置的制氢效率。另一方面，在沟槽侧面析出氧气气泡时，该氧气气泡将带动碳纳米管摆动，有助于在沟槽内形成更强的紊流，提升氧气气泡的脱附能力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。