一种基于高活性半导体电催化剂的析氢系统

本发明属于可再生能源的储能和转换，具体涉及一种基于高活性半导体电催化剂的析氢系统。

背景技术：

1、现代社会现面临以石油为代表的化石能源短缺，和温室效应为代表的环境污染等一系列问题，转型可持续发展模式，开发和利用可再生能源刻不容缓。氢能作为具有一种重要的可再生能源，具有环境友好和高能量密度的优点，可逐步替代石油、天然气等战略性能源商品。电解水析氢因能耗低、整个制备过程中温室气体排放少，制得的氢气纯度高、杂质含量少等特点，是一种极具实际应用前景的制备方法。

2、目前铂(pt)系贵金属是性能最佳的析氢反应(her)电催化剂，但是昂贵的价格和稀缺的资源限制了其大规模应用。在过去几年中，大量研究发现廉价且产量丰富的半导体电催化剂有望替代贵金属催化剂，并且引起了全世界的广泛关注。因此，研究如何改进工况条件下半导体电催化剂的活性位结构，提升基于半导体电催化剂的析氢系统的整体性能，十分重要。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术中的问题，提供了一种基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，以氧空位修饰的tio2为半导体电催化剂，通过降低并获取该半导体电催化剂电压驱动ti3+极化子的起始电位，推动高效电催化析氢系统的精准指导构筑。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，具体为三电极电化学半反应析氢系统，以半导体电催化剂修饰的ito(氧化铟锡)电极为工作电极，ag/agcl电极为参比电极，pt为对电极；其中，所述半导体电催化剂具体为氧空位修饰的tio2；根据反应工况条件下氧空位修饰的tio2(101)表面的ti3+极化子分布随不同恒电位的变化情况，获取氧空位修饰的tio2中电压驱动ti3+极化子的起始电位，作为析氢系统的起始工作电位。

4、进一步地，所述氧空位修饰的tio2的制备过程为：在200sccm的氢气流下，对tio2等离子体处理5min，射频功率为300w。

5、进一步地，基于固定体相内电势的巨正则密度泛函理论，对反应工况条件下氧空位修饰的tio2进行电化学恒电位模拟，在不同恒电位下观测电荷局域化情况，进而获得氧空位修饰的tio2(101)表面的ti3+极化子分布随不同恒电位的变化情况。

6、进一步地，所述固定体相内电势通过人为控制氧空位修饰的tio2的电子化学势能量，实现恒电位的调控；其中，体相内电势为材料的本征性质，不随表面性质的变化而变化。

7、进一步地，所述恒电位的取值范围为-3v～0v。

8、进一步地，所述反应工况条件为300k温度或水溶剂。

9、进一步地，所述析氢系统的电解质为0.1m的酸性电解质h2so4。

10、本发明的有益效果为：

11、本发明提出了一种基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，通过对tio2进行氧空位修饰，引入本征的ti3+极化子，作为半导体电催化剂应用于析氢系统中，在工作电压下极大增加了ti3+极化子活性位点，降低起始工作电位，提升析氢系统的整体性能；进一步地，本发明通过近真实环境的电化学恒电位模拟，识别反应工况条件下氧空位修饰的tio2的ti3+极化子活性位点的状态，获得电压驱动ti3+极化子的起始电位，作为析氢系统的起始工作电位，可用于指导析氢系统的使用，节省传统试验方法中将制备的半导体电催化剂用于析氢系统中以试验催化过程的起始工作电位的耗时，避免盲目试验。

技术特征：

1.一种基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，具体为三电极电化学半反应析氢系统，其特征在于，以半导体电催化剂修饰的ito电极为工作电极，ag/agcl电极为参比电极，pt为对电极；其中，所述半导体电催化剂为氧空位修饰的tio2；根据反应工况条件下氧空位修饰的tio2(101)表面的ti3+极化子分布随不同恒电位的变化情况，获取氧空位修饰的tio2中电压驱动ti3+极化子的起始电位，作为析氢系统的起始工作电位。

2.根据权利要求1所述基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，其特征在于，所述氧空位修饰的tio2的制备过程为：在200sccm的氢气流下，对tio2等离子体处理5min，射频功率为300w。

3.根据权利要求1所述基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，其特征在于，基于固定体相内电势的巨正则密度泛函理论，对反应工况条件下氧空位修饰的tio2进行电化学恒电位模拟，在不同恒电位下观测电荷局域化情况，进而获得氧空位修饰的tio2(101)表面的ti3+极化子分布随不同恒电位的变化情况。

4.根据权利要求1所述基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，其特征在于，所述恒电位的取值范围为-3v～0v。

5.根据权利要求1所述基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，其特征在于，所述反应工况条件为300k温度或水溶剂。

技术总结本发明公开了一种基于高活性半导体电催化剂的析氢系统，属于可再生能源的储能和转换技术领域，具体为三电极电化学半反应析氢系统，以半导体电催化剂修饰的ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，Pt为对电极；半导体电催化剂为氧空位修饰的TiO<subgt;2</subgt;；根据反应工况条件下氧空位修饰的TiO<subgt;2</subgt;(101)表面的Ti<supgt;3+</supgt;极化子分布随不同恒电位的变化情况，获取电压驱动Ti<supgt;3+</supgt;极化子的起始电位，作为析氢系统的起始工作电位。本发明可以降低析氢系统的起始工作电位，提升整体性能，通过近真实环境的电化学恒电位模拟，获取电压驱动Ti<supgt;3+</supgt;极化子的起始电位，用于指导析氢系统的使用，节省实验耗时，避免盲目试验。技术研发人员：吴铜伟,李飞受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17