一种K-PHI基光阳极及其制备方法和应用

本发明属于光电电极材料制备，具体是通过熔融盐热聚合法在进一步脱氨得到k-phi过程中，同时将有电子受体性质的2-氨基吡啶和2-氨基嘧啶接枝到k-phi末端并生长到氟掺杂的二氧化锡(导电玻璃，简称“fto”)上制备成光阳极，该技术得到的光阳极可以大大提高光电流密度，是一种十分有应用价值的技术。

背景技术：

1、化石能源燃烧所带来的环境污染问题日益严重，对清洁能源和新能源的研发已成了未来发展的重要任务。氢能是新一代有发展前景的可持续清洁能源，被认为是太阳能储存的理想载体。虽然它热值高，无毒无污染，原材料还可持续，但目前制备氢能的技术仍不太成熟且制备过程中产生大量的co2。光电催化水分解是在充分利用太阳光的基础上，通过施加部分偏置电压，利用太阳能和电能协同耦合分解水产氢的方法。此过程是由在光阴极上利用电子进行水还原和在光阳极上利用空穴进行水氧化的两个半反应组成。在热力学上保证具有光响应的半导体材料所产生的光生电荷载流子能够及时消耗的情况下，可以得到足够量的氢气，但是科学研究发现，水分解化学反应面临一个重要的动力学问题，即在光阳极上所进行的四电子分解水产氧是决定反应的速控步；这一步反应进行所需要的活化能较高，对于光电化学分解水反应所需施加的过电位较高，由此导致光电分解水产氢存在高能耗的问题。石墨相氮化碳(g-c3n4)是一种新型非金属n型半导体材料，因其具有优异的化学稳定性、可调控的结构和性能、低成本易合成的特点，以及独特的二维层状结构和良好的可见光响应而备受关注。自2009年首次报道g-c3n4在光催化水分解中应用以来，已发展成为最活跃光催化材料之一。然而，块状g-c3n4光电极面临结晶度低、光生载流子复合快等挑战，导致其光催化水氧化性能较低。半导体聚合物的结晶度被认为是影响光催化性能的主要因素，因为结晶度被认为与载流子的转移与复合密切相关。此外，分子供受体的构建能够有效调控电荷密度分布，形成较强的局部电荷分离。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中制备的氮化碳基光阳极光电流密度较低，不能高效的光电分解水产氧的问题，本发明对光电解水产氧的机理进行了深入研究，在付出了大量的原创性劳动后，进而完成了本发明。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、一种k-phi@ap和k-phi@am光阳极制备技术，包括以下步骤：

4、(1)称取10克三聚氰胺，将其中的大块用研钵分散后，再放入30毫升坩埚中，盖紧盖子，随后将坩埚放在马弗炉中，从室温下以2.5～5摄氏度/分钟升温到450～600摄氏度，在此温度下保温4小时，自然降温到室温。此外将足量的硫氰酸钾放在真空烘箱中，在140摄氏度、-0.1兆帕的条件下真空干燥一夜，去除硫氰酸钾中的水分，待后续使用；

5、(2)煅烧结束后，将反应得到的淡黄色块状固体充分研磨，能够得到5～6克无定形氮化碳，做为实验后续用品；

6、(3)将裁减好一定面积的fto片子放入水中超声波清洗10～30分钟，再放入乙醇中超声波清洗10～30分钟，再放入丙酮溶剂中超声波清洗10～30分钟，最后用高纯氮气或氩气中的一种吹干清洗后的fto片子；

7、(4)从步骤(2)中取出2克无定形氮化碳，并从步骤(1)中取出1～2克硫氰酸钾，将两者放在研磨中，充分混合均匀；

8、(5)再取出一片步骤(3)中清洗好的fto导电玻璃片子，在60×30×20毫米的瓷方舟中，将fto导电玻璃片子埋入步骤(4)研磨好的粉末中，保证fto导电玻璃片子导电面朝下，盖住盖子，并用锡纸进行包裹；

9、(6)将包裹好的方舟放入管式炉中，在抽完真空，检查密封性良好后，在氮气或者氩气气氛下，保持气体流速在60～120毫升/分钟，从室温下，以5摄氏度～30摄氏度/分钟，升温到400摄氏度，在此温度下保温1～2小时，然后再以5摄氏度～30摄氏度/分钟，升温到500摄氏度，在此温度下保温30～90分钟，最后自然降温到室温；

10、(7)将步骤(6)中生长上k-phi片子，用仪器超声处理十分钟，然后放入50～80摄氏度电热鼓风干燥箱中干燥处理，最后得到k-phi光电极；

11、(8)步骤(4)中，在2克无定型氮化碳和1～2克硫氰酸钾的基础上，分别另外加入10～40毫克2-氨基吡啶和2-氨基嘧啶为改性试剂，分别混合均匀，并重复步骤(5)至步骤(7)，最终得到k-phi@ap和k-phi@am光阳极。

12、经上海辰华生产的chi760e电化学工作站和北京中教金源生产的300瓦氙灯测试，采用三电极体系(铂丝电极作为对电极；饱和银/氯化银电极作为参比电极；已制备好的光阳极作为工作电极)。本发明制备的光阳极k-phi@ap和k-phi@am在1.23v电压下的光电流密度分别为0.899ma cm-2和0.664ma cm-2，而k-phi在1.23v电压下的光电流密度为0.503macm-2，光电流密度显著提高。

13、本发明可以使光电催化分解水的效率大大提高，进一步满足了工业化的要求，为可持续生产氢能源解决了反应动力学问题。因此本发明是一项十分有意义的发明创造。

技术特征：

1.一种k-phi基光阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有强电荷分离驱动的k-phi光阳极的熔盐热处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中fto导电面朝下，并埋在靠近方舟底部。

3.根据权利要求1所述的具有强电荷分离驱动的k-phi光阳极的熔盐热处理方法，其特征在于：所述步骤(8)中的具有不同电负性的电子受体(2-氨基吡啶和2-氨基嘧啶)通过热聚合脱氨反应接枝在k-phi末端。

技术总结本发明属于催化剂制备技术及新能源发展领域，具体公开了一种K‑PHI基光阳极及其制备方法和应用。本发明在导电玻璃基底上，通过一步熔融盐热聚合法在促进脱氨反应生长高结晶氮化碳聚庚嗪酰亚胺(K‑PHI)薄膜的同时，在其边缘接枝具有能够调节电荷密度分布形成强电荷分离驱动力的K‑PHI@AM基光阳极，用于光电催化分解水产氧。光电化学测试表明，本发明制备的K‑PHI@AM光阳极在1.23伏特(V)电压下的光电流密度为0.899mAcm<supgt;‑2</supgt;，而未改性K‑PHI在1.23V电压下的光电流密度为0.503mAcm<supgt;‑2</supgt;，光电流密度显著提高。因此本发明制备的光阳极具备高效光电催化分解水制氢的潜力。技术研发人员：易莎莎,刘晓龙,张雪,杨涛,岳新政受保护的技术使用者：郑州大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29