一种增强型光解水制氢装置的制作方法

本发明涉及制氢技术领域，具体涉及一种增强型光解水制氢装置。

背景技术：

近年来，社会在能源危机和环境污染方面面临着越来越严重的挑战。科学发现因为氢能具有高效和清洁的特点，氢能被普遍认为是未来最适当的能源载体。光解水制氢具有污染小、应用方便的优点，是制氢的重要手段。传统光解水制氢中，光利用效率低，从而导致制氢效率低。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了一种增强型光解水制氢装置，该装置包括基底层、反射层、二氧化硅部、薄膜层、第一二氧化钛部；反射层置于基底层上，二氧化硅部的截面为锥形，二氧化硅部周期地置于反射层上，薄膜层覆盖二氧化硅部，第一二氧化钛部置于由相邻二氧化硅部构成的凹槽内。

更进一步地，反射层的材料为金或银。

更进一步地，薄膜层的材料为石墨烯或铂。

更进一步地，二氧化硅部两边的倾角相同。

更进一步地，相邻二氧化硅部两边的倾角不同。

更进一步地，二氧化硅部的截面为梯形。

更进一步地，在薄膜层上、二氧化硅部顶部的对应位置设有第二二氧化钛部。

更进一步地，第一二氧化钛部的上表面为凹形。

更进一步地，二氧化硅部两边的倾角大于45度、小于75度。

更进一步地，第二二氧化钛部的材料为二氧化钛纳米管。

本发明的有益效果：本发明提供了一种增强型光解水制氢装置，反射层置于基底层上，二氧化硅部的截面为锥形，二氧化硅部周期地置于反射层上，薄膜层覆盖二氧化硅部，第一二氧化钛部置于由相邻二氧化硅部构成的凹槽内。应用时，光被薄膜层限制在二氧化硅部内，所以能够被第一二氧化钛部充分利用，使得第一二氧化钛部内产生更多的光生电子和光生空穴；另外，薄膜层的费米能级更低，薄膜层与二氧化钛材料接触，形成势垒，使得光生电子加快地移动到薄膜层的表面参与氧化反应，也增加了光生电子和光生空穴的寿命，这些都提高了第一二氧化钛层的光分解水能力，提高了制氢效率。本发明具有光利用率高、制氢效率高的优点，在制氢领域具有重要的应用前途。

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是增强型光解水制氢装置的示意图。

图2是又一种增强型光解水制氢装置的示意图。

图3是再一种增强型光解水制氢装置的示意图。

图中：1、基底层；2、反射层；3、二氧化硅部；4、薄膜层；5、第一二氧化钛部；6、第二二氧化钛部。

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

本发明提供了一种增强型光解水制氢装置。如图1所示，该增强型光解水制氢装置包括基底层1、反射层2、二氧化硅部3、薄膜层4、第一二氧化钛部5。反射层2置于基底层1上。反射层2的材料为贵金属，用以反射从图1上部入射下来的光。二氧化硅部3的截面为锥形。二氧化硅部3周期地置于反射层2上。二氧化硅部3可以为条形，如此一来，条形二氧化硅部3按照某一个方向周期性地置于反射层2上。二氧化硅部3还可以为独立的锥形，如此一来，独立的二氧化硅部3按照两个方向周期性地置于反射层2上。薄膜层4覆盖二氧化硅部3。薄膜层4的材料为石墨烯或贵金属。第一二氧化钛部5置于由相邻二氧化硅部3构成的凹槽内。第一二氧化钛部5的高度小于二氧化硅部3的高度。

应用时，光穿过薄膜层4，被薄膜层4限制在二氧化硅部3内，增强了光与第一二氧化钛部5的作用，所以能够被第一二氧化钛部5充分利用，使得第一二氧化钛部5内产生更多的光生电子和光生空穴；另外，薄膜层4的费米能级更低，薄膜层4与二氧化钛材料接触，形成势垒，使得光生电子加快地移动到薄膜层4的表面参与氧化反应，也增加了光生电子和光生空穴的寿命，这些都提高了第一二氧化钛部5的光分解水能力，提高了制氢效率。本发明具有光利用率高、制氢效率高的优点，在制氢领域具有重要的应用前途。

优选地，反射层2的材料为金或银。反射层2的厚度大于100纳米，从而使得光不能够穿透反射层2，光完全被反射层2反射，从而被限制在二氧化硅部3内，充分被第一二氧化钛部5利用，产生更多的光生电子和光生空穴，提高光解水能力。

薄膜层4的材料为石墨烯或铂。石墨烯材料比较薄，对光的透射系数高，并且载流子浓度高，一方面便于在二氧化硅部3内聚集更多的能量，以增强光与第一二氧化钛部的作用，产生更多的光生电子和光生空穴；另一方面便于光生电子移动到薄膜层4上，造成光生电子与光生空穴的分离，提高第一二氧化钛部5产生的光生电子的寿命。当薄膜层4的材料为铂时，薄膜层4的厚度小于10纳米，以便于光能够穿透铂层、进入到二氧化硅部3，然后被限制在二氧化硅部3内，充分被第一二氧化钛部5利用，产生更多的光生电子和光生空穴，并提升光生电子的寿命。

此外，本发明中二氧化硅部3的高度大于第一二氧化钛部5的高度，便于气泡从二氧化硅部3的斜面脱附，提升了气泡脱附能力，从另外的机制提高了制氢效率。此外，该设计也有利于光进入二氧化硅部3，并被限制在二氧化硅部3内。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，第一二氧化钛部5的上表面为凹形。也就是说，在二氧化硅部3附近处，第一二氧化钛部5高；在远离二氧化硅部3处，第一二氧化钛部5低。这样一来，第一二氧化钛部5具有更多的表面积，与水的接触面积更大，更容易光解水，光解水产生的气泡也更容易从二氧化钛材料上脱附，从而更进一步提升光解水能力。另一方面，在二氧化硅部3附近处，二氧化钛材料比较薄，在入射光的作用下，能够形成强电场区域，增强光与二氧化钛材料的作用，二氧化钛材料产生更多的光生电子和光生空穴，提高光解水能力。

实施例3

在实施例2的基础上，二氧化硅部3两边的倾角相同。相邻二氧化硅部3两边的倾角不同。也就是说，对于一个二氧化硅部3，锥形结构的两边的倾角相同，相当于为等腰结构。但是，对于相邻的二氧化硅部3，锥形结构两边的倾角不同。虽然每个二氧化硅部3的截面为等腰结构，但是相邻的二氧化硅部3截面的形状不同：等腰结构的底角不同。这样一来，对于由相邻二氧化硅部3构成的凹槽，凹槽的两侧为非对称的，从凹槽两侧析出气泡的状况也是非对称的，两侧非同时析出气泡，这有利于在凹槽内形成紊流，有利于气泡从凹槽内析出，从而提升制氢效率。

更进一步地，二氧化硅部3两边的倾角影响到对光的限域作用和第一二氧化钛部5与水的接触面积，二者为矛盾的两个方面。为平衡矛盾的两个方面，优选地，二氧化硅部3两边的倾角大于45度、小于75度。

实施例4

在实施例3的基础上，如图3所示，二氧化硅部3的截面为梯形。在薄膜层4上、二氧化硅部3顶部的对应位置设有第二二氧化钛部6。这样一来，一方面第二二氧化钛部6的存在更有利于将光限域在二氧化硅部3内，另一方面第二二氧化钛部6本身也具有光解水能力，这两方面的作用都有利于提高装置的光解水能力。另外，在实施例1中，在二氧化硅部3内，由于二氧化硅部3具有结构上奇点的顶部尖端，有一些光能量出现在二氧化硅部3的顶部尖端处，而此处附近无二氧化钛材料，造成光能量的浪费。本实施例中，二氧化硅部3的顶部为平面，没有上述结构中的奇点，更多的光能量分布在二氧化硅部3内，更能够充分利用光能量。

更进一步地，第二二氧化钛部6的材料为二氧化钛纳米管。二氧化钛纳米管的光透射系数高，容易被入射光穿过，从而在二氧化硅部3聚集更多的能量。另外，二氧化钛纳米管具有更多的表面积，与水的接触面积更大，在光的作用下，产生更多的强电场，所以二氧化钛纳米管具有更强的光解水能力。

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。