[發明專利]一種Pt/硅納米陣列結構復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310452381.2
• 申請日: 2013-09-29
• 公開（公告）號: CN103464146A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 喬雷;周明;張愛娟;李艷虹;鄧娟;廖明佳;肖鵬;張云懷;張勝濤
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B01J23/42
• 分類號: B01J23/42;B01J37/34;B82Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于復合材料領域，具體涉及一種Pt/硅納米陣列結構復合材料及其制備方法。

背景技術

硅材料作為吸收太陽能，利用太陽能將水轉換成氫燃料的材料，相比于TiO₂，Fe₂O₃，具有光吸收范圍更寬的優點；對CdS，GaP等材料，具有更穩定的光電化學性能，在光伏器件中有廣泛的應用前景。研究表明，硅在轉化太陽能制備氫的過程中，在固體/液體界面緩慢的電荷轉移速度和在本體及表面的光生電子空穴對的復合限制了硅的太陽能轉化效率，從而限制了其應用。在硅的太陽能轉化效率的提高上，可以采用添加催化劑的方式來提高光電器件中光生電子空穴對的有效分離。然而，在催化劑的引入中，傳統的方法是在含氟溶液中利用硅直接還原金屬（Galvanic?displacement），但這產生了二次化學破壞，使得硅基體材料的表面缺陷增加，而這些缺陷會成為光生電子和空穴的復合中心，不利于光電能量轉換。

發明內容

為了解決上述問題，本發明旨在提供一種Pt/硅納米陣列復合材料及其制備方法。采用Pt/硅納米陣列復合的方式來增強光催化效率，通過調整電化學參數控制材料的微觀形貌結構，從而加快光生載流子的轉移速率，提高能量的轉化效率。同時，提供一種脈沖電沉積法—多電位階躍復合金屬的制備方法，減少缺陷的形成。

本發明提供如下技術方案：

一種Pt/硅納米陣列的復合材料，所述Pt為簇狀，所述硅納米陣列為規則孔狀或線狀，所述Pt位于所述硅納米陣列頂端。

優選的，所述Pt為花狀。

優選的，所述Pt直徑為25-800nm。

優選的，所述硅納米陣列為線狀。

優選的，所述硅納米陣列直徑為30-200nm。

一種Pt/硅納米陣列的復合材料的制備方法，包括以下步驟：

（a）將硅納米陣列作為工作電極，將Ag/AgCl作為參比電極，Pt電極為對電極，按照三電極體系連接電路；

（b）將所述三電極體系浸入電解質溶液中，所述電解質溶液為含有Pt離子的溶液，Pt離子的濃度為0.25～2g/L，調節pH值至1～3；

（c）采用多電位階躍制備Pt/硅納米陣列的復合材料，所述多電位階躍激勵信號為脈沖周期信號，所述脈沖周期信號施加于工作電極上，脈沖周期為10～60次。

優選的，所述步驟（c）中的脈沖周期信號為-0.3～-0.6V陰極脈沖反應10ms～50ms，隨即階躍至+0.3～+0.6V陽極脈沖反應2.5～25ms，關斷反應100ms～500ms。

優選的，所述步驟（c）中的脈沖反應周期循環次數為50～60次。

優選的，所述硅納米陣列的制備步驟為：

將單晶硅片，依次用去離子水、無水乙醇和丙酮進行超聲洗滌，然后浸漬在H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液中10～20分鐘后取出；

將單晶硅片置于質量分數為5％的HF水溶液中，靜置1～5分鐘后取出；

將單晶硅片迅速轉入含HF和AgNO₃的混合溶液中反應60～180秒后取出；

將單晶硅片轉入HF和H₂O₂溶液中，在避光條件下反應15～60分鐘，得到硅納米陣列；

將硅納米陣列轉入硝酸溶液中浸泡3小時，去離子水清洗后取出。

優選的，所述混合溶液由H₂SO₄和H₂O₂按照體積比3:1進行配置。

金屬在硅表面上直接從溶液中還原，形成半導體-金屬肖特基結，金屬粒子修飾在硅的表面作為催化劑能夠提高電荷轉移速度和能量轉換效率。對比平面結構，多孔結構和線陣列結構的硅基底，可以更有效地進行對光子的捕獲，這是由于吸收基底徑向長度增加，增加了光子被捕獲的機會；而少數載流子的傳輸距離也變短而且能夠定向傳輸；同時也大大增大加了電極的的比表面積，有利于催化反應。

對晶體硅片采用無電金屬輔助催化法，即在氫氟酸溶液中，在室溫條件下利用金屬銀（或金）的催化作用很容易得到硅納米陣列。因此，本專利提供了一種在無氟溶液中，利用電化學脈沖電沉積技術，在經改善的硅表面沉積金屬催化劑的簡單方法。這種方法能消除氟離子對硅結構的二次破壞，同時能通過電沉積參數控制金屬在襯底的形貌和分布。