[發明專利]基于單一N摻雜調控4H-SiC納米結構同時收集機械能和光能用于裂解水的方法

有效

• 申請號: 202110473455.5
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113308743B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 侯新梅;周林林;楊濤;王恩會;方志;鄭亞鵬;陳亞豐;楊樹峰
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C30B31/08
• 分類號: C30B31/08;C30B33/08;C30B29/36;C01B3/04
• 代理公司: 北京中強智尚知識產權代理有限公司 11448
• 代理人: 黃耀威

本發明提供了一種基于單一N摻雜調控4H?SiC納米結構同時收集機械能和光能用于裂解水的方法，其步驟包括：以N₂O₅為氮源，在4H?SiC單晶片上擴散摻雜制得N摻雜濃度為1?10mol％的N摻雜的4H?SiC；通過化學刻蝕在N摻雜的4H?SiC上形成納米孔陣列制得具有納米結構的N摻雜4H?SiC；以具有納米結構的N摻雜4H?SiC作光電陽極，鉑片作陰極，同時對光電陽極進行光照與施力，利用壓電效應和光電催化效應耦合增強原理同時收集機械能和光能裂解水。本發明提供的一種基于單一N摻雜調控4H?SiC納米結構同時收集機械能和光能用于裂解水的方法，操作過程簡單、設備要求低且分解水能力強。

技術領域

本發明屬于無機非金屬能源材料技術領域，特別涉及一種基于單一N摻雜調控4H-SiC納米結構同時收集機械能和光能用于裂解水的方法。

背景技術

能源作為社會發展的基礎和支柱，在人類文明進步中占據著重要地位。煤炭、石油等傳統化石能源在近百年來作為生產和生活中的主要能源發揮了重要作用，但其燃燒引起的一系列環境問題愈發不容忽視，因此，尋找新型環保的可再生能源迫在眉睫。其中，氫能作為21世紀最具發展潛力的清潔能源受到了越來越廣泛的關注。

氫能作為新型的二次能源，具有儲量高、質量輕、導熱性好、發熱值高、燃點高等優異特性，其本身無毒，且利用形式豐富。近年來，光電催化裂解水制氫獲得了迅速發展，通過水的裂解獲得氫氣，氫氣經燃燒生成的水可繼續用于制氫，充分實現了能源的高效循環利用。在光電催化裂解水的過程中，與陰極發生的析氫反應相比，陽極的產氧反應由于涉及了四個電子和四個質子的耦合轉移表現出更慢的反應速率，因此優化光電陽極成為提高電解效率的重要手段。

目前，大量材料被應用于裂解水領域中，但它們存在著一系列不可忽視的問題：(1)TiO₂帶隙過大，不能吸收可見光；(2)硫化物、磷化物和某些氧化物的能帶位置不適于水的裂解制氫；(3)Cu₂O在裂解水過程中會發生溶解；(4)ZnO在光電催化裂解水過程中會發生光腐蝕。

碳化硅作為第三代半導體，其化學性質穩定、機械強度高，化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好，在超級電容器、場發射陰極材料等領域中獲得了廣泛應用。此外，碳化硅具有較大的禁帶寬度，其能帶位置理想地跨越了水氧化還原電位，表明光生載流子有足夠的能量克服水還原和/或水氧化的能量障礙，完成水裂解制氫的任務，因此在光電催化裂解水制氫領域具有重要地位。但較高的光生載流子復合率使其光能轉換效能低下，較大的禁帶寬度使其只能對陽光中的紫外光波段進行利用，這些缺點大大限制了對光能的利用率。因此，當前需要通過調控4H-SiC的壓電性、導電性和禁帶寬度，開發一種操作過程簡單、設備要求低且分解水能力強的4H-SiC裂解水的方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種操作過程簡單、設備要求低且分解水能力強的基于單一N摻雜調控4H-SiC納米結構同時收集機械能和光能用于裂解水的方法。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于單一N摻雜調控4H-SiC納米結構同時收集機械能和光能用于裂解水的方法，包括步驟如下：

以N₂O₅為氮源，在4H-SiC單晶片上擴散摻雜制得N摻雜濃度為1-10mol％的N摻雜的4H-SiC；

通過化學刻蝕在N摻雜的4H-SiC上形成納米孔陣列制得具有納米結構的N摻雜4H-SiC；

以具有納米結構的N摻雜4H-SiC作光電陽極，鉑片作陰極，同時對光電陽極進行光照與施力，利用壓電效應和光電催化效應耦合增強原理同時收集機械能和光能裂解水。

進一步地，所述4H-SiC單晶片的厚度為280-380μm，面積為4×10mm²-6×10mm²，晶體學取向為0001。