[發明專利]一種硅基有序化電極及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201611133319.7
• 申請日: 2016-12-10
• 公開（公告）號: CN108232204A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 孫公權;夏章訊;王素力
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;B82Y30/00;G01N27/30
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種硅基有序化電極，其特征在于：以氣體擴散層或電解質膜為基底，所述電極微觀上為基底表面附著有具有平行排列的硅基納米線陣列結構，硅基納米線垂直垂直附著于基底表面，所述納米線表面依次生長或附著有導電碳層、金屬納米粒子層和聚離子層；所述納米線長度為1-100μm；直徑為0.02-4微米；所述納米線陣列的密度為每平方毫米4×10⁴-1×10⁸個納米線。

2.如權利要求1所述硅基有序化電極，其特征在于：所述硅基納米線為單晶硅、多晶硅、碳化硅、二氧化硅中一種的納米線。

3.如權利要求1所述硅基有序化電極，其特征在于：所述導電碳層的厚度為1-20nm；金屬納米粒子的載量為0.001-0.5mg/cm²，金屬納米粒子的粒徑為0.5-20nm，聚離子的載量為0.0002-0.1mg/cm²。

4.如權利要求1所述硅基有序化電極，其特征在于：所述導電碳層中的碳材料為石墨碳、無定型碳、石墨烯、導電聚合物中的一種；所述金屬納米粒子為鉑、鉑鈀、鉑鈷、鉑鎳、鉑鐵、鉑銀中的一種；所述聚離子層中的聚離子為全氟磺酸聚離子。

5.一種權利要求1-4任一所述硅基有序化電極的制備方法，其特征在于：包括以下步驟，

(1)載有硬模板小球的硅片的制備：取經過前處理的厚度為1-100μm的硅基材料，將直徑為100nm至5μm的硬模板小球分散液均勻單層分散于所述硅片上，采用硬模板去除劑對所述硬模板小球進行化學腐蝕，至小球直徑縮小至原來的5％-90％，得載有硬模板小球的硅基材料；

(2)硅基納米線陣列的制備：于步驟(1)所得載有硬模板小球的表面采用物理濺射的方法濺射一層金屬銀，隨后通過超聲分散的方法去除硅片上的硬模板小球，并將其置于氯化鐵溶液中，通過銀的催化機制除去由銀覆蓋的基底層，得硅基納米線陣列；

(3)導電修飾層的制備：通過化學氣相沉積或電化學聚合的方法于步驟(2)所得硅基納米線表面沉積導電層，得修飾有導電層的硅基納米線陣列；

(4)有序化電極的制備：通過磁控濺射的方法于步驟(3)所得硅基納米線導電層表面濺射鉑或鉑合金納米粒子后將其置于聚離子溶液中實現聚離子層的制備，轉印到基底上，洗滌干燥得有序化電極。

6.如權利要求5所述硅基有序化電極的制備方法，其特征在于：步驟(1)所述硅基材料為單晶硅、多晶硅、碳化硅、二氧化硅中的一種；所述硅基材料的前處理步驟為洗凈后用丙酮浸泡12小時以上。

7.如權利要求5所述硅基有序化電極的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述硬模板小球為硅球或聚苯乙烯小球，所述硬模板小球分散液的質量濃度為0.1-1％；所述硬模板去除劑為質量濃度0.1-2M氫氟酸，化學腐蝕時間為10-100min。

8.如權利要求5所述硅基有序化電極的制備方法，其特征在于：步驟(2)所述氯化鐵溶液的濃度為0.1-2M，浸漬時間為1-24h；

步驟(3)所述化學氣相沉積為以甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、苯、一氧化碳、二氧化碳中的一種為碳源，在300-1000攝氏度、流速為10-100mL/min條件下，沉積10-200min；

所述電化學聚合方法為以步驟(2)所得硅基納米線陣列為工作電極，導電聚合物單體水溶液為化學聚合溶液，在相對氫標準電極0.8-1.2V電位條件下，反應10-200s；所述導電聚合物單體為吡咯、苯胺、噻吩中的一種，濃度為0.05-2M。