【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进一步说明。
[0023]实施例一:
[0024]取约100g硅块置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中粉体生成室的阳极上，以钨电极作为电弧阴极，通入比例为1:2:0.1的氢气:氦气:甲烷。接通电源起弧蒸发硅块反应lOmin，制得的纳米硅材料沉积在炉腔壁上。待反应产物冷却至室温后，引入少量空气进行钝化操作，获得碳掺杂的纳米硅材料。
[0025]配制200mg/L的碳掺杂纳米娃和0.5mmol/L的Mg (N03) 2的碳酸丙稀酯混合分散液，在300V下电沉积3min，即可将碳掺杂纳米硅材料沉积在导电玻璃上，制成光电极。然后将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器，使用波长为200?lOOOnm的光照射光电极，测试光超级电容器的光电学性能。
[0026]实例一得到的碳掺杂纳米硅材料的XRD图如图1所示。由图中衍射峰确定该纳米娃结构中主相为娃，还含有少量的SiC相。
[0027]实例一得到的碳掺杂纳米硅材料的XPS图如图2所示。可发现该碳掺杂纳米硅结构表面除了含有S1-Ο键外，还含有S1-C键。
[0028]实例一得到的碳掺杂纳米硅材料作为光电极材料时的光电流-时间曲线图如图3所示。可见在纳米硅结构中掺杂碳元素后，纳米硅材料的光响应电流提高了 6倍。
[0029]实施例二:
[0030]取约100g硅块置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中粉体生成室的阳极上，以钨电极作为电弧阴极，通入比例为1:0:0.005的氢气:氩气:甲烷。接通电源起弧蒸发硅块反应5min，制得的纳米硅材料沉积在炉腔壁上。待反应产物冷却至室温后，引入少量空气进行钝化操作，获得与实例一不同结构和不同碳掺杂量的纳米硅材料。
[0031]配制50mg/L的碳掺杂纳米娃和0.2mmol/L的Mg (N03) 2的碳酸丙稀酯混合分散液，在100V下电沉积5min，即可将碳掺杂纳米硅材料沉积在导电玻璃上，制成光电极。然后将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。
[0032]本实施例得到的碳掺杂纳米硅材料，以此制作电极和测试的方法均与实施例一中相同。
[0033]实例二得到的碳掺杂纳米硅材料的拉曼光谱图如图4所示。可见纳米硅材料掺杂碳元素后，硅的拉曼峰向高拉曼位移方向发生偏移。
[0034]实施例三:
[0035]取40g硅块置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中粉体生成室的阳极上，以钨电极作为电弧阴极，通入比例为1:8:0.5的氢气:氖气:氮气。接通电源起弧蒸发硅块反应15min，制得的纳米硅材料沉积在炉腔壁上。待反应产物冷却至室温后，引入少量空气进行钝化操作，获得氮掺杂的纳米硅材料。
[0036]本实施例得到的氮掺杂纳米硅材料，以此制作电极和测试的方法均与实施例一中相同。
[0037]配制400mg/L的氮掺杂纳米娃和2mmol/L的Mg(N03)2的乙二醇碳酸酯混合分散液，在600V下电沉积10s，即可将氮掺杂纳米硅材料沉积在导电玻璃上，制成光电极。然后将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。
[0038]实施例四:
[0039]取20g硅块置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中粉体生成室的阳极上，以钨电极作为电弧阴极，通入比例为1:3:0.01的氢气:氩气:乙硼烷。接通电源起弧蒸发硅块反应5min，制得的纳米硅材料沉积在炉腔壁上。待反应产物冷却至室温后，引入少量空气进行钝化操作，获得硼掺杂的纳米硅材料。
[0040]本实施例得到的硼掺杂纳米硅材料，以此制作电极和测试的方法均与实施例一中相同。
[0041 ] 配制400mg/L的硼掺杂纳米娃和2mmol/L的Mg (N03) 2的N, N- 二甲基甲酰胺混合分散液，在500V下电沉积30s，即可将硼掺杂纳米硅材料沉积在导电玻璃上，制成光电极。然后将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。
[0042]实施例五:
[0043]取200g硅块置于自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备中粉体生成室的阳极上，以钨电极作为电弧阴极，通入比例为1:3:0.05的氢气:氩气:磷烷。接通电源起弧蒸发硅块反应6min，制得的纳米硅材料沉积在炉腔壁上。待反应产物冷却至室温后，引入少量空气进行钝化操作，获得磷掺杂的纳米硅材料。
[0044]本实施例得到的磷掺杂纳米硅材料，以此制作电极和测试的方法均与实施例一中相同。
[0045]配制100mg/L的磷掺杂纳米娃和lmmol/L的Mg(N03)2的乙二醇混合分散液，在500V下电沉积lmin，即可将磷掺杂纳米硅材料沉积在导电玻璃上，制成光电极。然后将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。
【主权项】
1.一种掺杂纳米硅材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步，在自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备粉体生成室的阳极上放置硅块，通入氢气、惰性气体和含有掺杂元素的掺杂气体，粉体生成室的总气压保持在OPa?9.5X104Pa ； 所述的硅块为20?200g，硅块的纯度为99.9%及以上； 所述的含有掺杂元素的掺杂气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯、丙炔、丙烷、丁烷、丁烯、氮气、氨气、乙硼烷或磷烷的一种及其组合； 所述的氢气、惰性气体和掺杂气体的比例为1:0:0.005?1:9:0.5 ; 第二步，接通电源形成稳定电弧，蒸发娃块，控制电弧反应时间为5?15min ;待反应产物冷却至室温后，引入空气进行钝化处理，得到掺杂纳米硅材料。2.如权利要求1所述的一种掺杂纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述的硅块为固体硅块或由硅粉体压制而成的硅块；所述的惰性气体为氦气、氖气或氩气的一种及其组入口 ο3.用权利要求1或2所述的一种掺杂纳米硅材料制备光电极，其特征在于，将掺杂纳米硅材料与Mg(N03)2均匀分散于有机溶剂中，在100?600V电压下电沉积10?1200s，将掺杂纳米娃材料沉积在导电玻璃上，制成光电极； 所述的掺杂纳米硅材料在有机溶剂中的浓度为50?400mg/L ; 所述的Mg(N03)2在有机溶剂中的浓度为0.2?2mmol/L ; 所述的有机溶剂为乙二醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、叔丁醇、戊醇、异戊醇、碳酸丙烯酯、碳酸丙二酯、乙二醇碳酸酯、乙腈、丙腈、二甲基亚砜、乙二胺、苯胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N, N- 二甲基甲酰胺、二甲基乙撑脲、甲基吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮、吡啶、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙二醇二甲基醚或四氢呋喃。4.用权利要求1或2所述的一种掺杂纳米硅材料制备光电极，其特征在于，所述的导电玻璃为IT0、FT0或TC0导电玻璃。5.用权利要求3所述的一种掺杂纳米硅材料制备光电极，其特征在于，所述的导电玻璃为IT0、FT0或TC0导电玻璃。6.权利要求3制备的光电极应用于光超级电容器领域，其特征在于，将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。7.权利要求4制备的光电极应用于光超级电容器领域，其特征在于，将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。8.权利要求5制备的光电极应用于光超级电容器领域，其特征在于，将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。
【专利摘要】本发明提供一种利用掺杂气体制备掺杂纳米硅的方法，使纳米硅材料的尺寸和性能得到精确控制的同时，实现掺杂纳米硅材料的规模化制备；本发明在合成的过程中对纳米硅进行原位可控元素掺杂，提高纳米硅材料的导电性和光响应性能，并将制备的掺杂纳米硅作为光电极材料应用在光超级电容器领域。首先使用自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备，在通入氢气、惰性气体和含有掺杂元素气体的混合气氛中，以钨电极为电弧阴极，硅块为电弧阳极，引弧蒸发硅块原料，在原位制备的基础上一次性得到掺杂的纳米硅材料。本发明原料来源丰富，制备过程简单，可规模化制备；产物环境友好无污染，结构新颖；掺杂元素的加入，提高了纳米硅结构的光电特性。
【IPC分类】C01B33/021, B82Y30/00
【公开号】CN105399099
【申请号】CN201510796885
【发明人】黄昊, 余洁意, 高嵩, 高扬, 董星龙, 吴爱民
【申请人】大连理工大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月17日