一种提高硅/金属氧化物纳米线阵列光电化学性能的方法与流程

本发明涉及纳米材料应用技术领域。更具体地，涉及一种提高硅/金属氧化物纳米线阵列光电化学性能的方法。

背景技术：

氢能被认为是未来最清洁的能源之一。利用太阳能实现半导体光电化学分解水制氢气，是清洁制备氢能的一条有效途径。而这一过程中，半导体光电极是决定光电化学分解水效率的关键因素。

人们采取了多种手段和策略，从光电极的组成、形貌、结构等诸多方面进行优化。人们发展了基于两种(或以上)半导体材料组成的复合光电极，克服单一半导体在光电化学分解水应用中存在的带隙太宽、带边位置不合适、光生载流子利用率低等问题。在电极结构方面，纳米技术也被广泛应用于光电极的制备以期提高其性能。与传统的平面光电极相比，用零维、一维和二维纳米材料构筑的光电极性能得到大幅提升。基于其在光电化学分解水应用方面展现出的优势和巨大潜力，半导体一维纳米结构复合光电极研究受到了越来越多的关注。

由于表面分解水反应动力学缓慢和表面缺陷态导致的载流子复合、费米能级钉扎效应等原因，光电极的性能与其理论值之间还有存在较大差距。为此，人们提出用助催化剂或表面钝化剂对光电极进行表面修饰以提升其光电化学性能。但是，表面修饰使电极制备工艺更复杂，表面催化剂和钝化剂还会影响光电极对光的吸收，此外还可能存在成本(贵金属)、长期稳定性、导电性等问题。

因此，本发明提供了一种提升硅/金属氧化物纳米线阵列光电化学性能的方法，填补了现有技术的空白，使用该方法提升半导体光电极光电化学性能不仅成本低，且工艺简单，更为便捷有效，进一步提高光电化学分解水效率，使这一先进技术真正实现实用化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提高硅/金属氧化物纳米线阵列光电化学性能的方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种提高硅/金属氧化物纳米线阵列光电化学性能的方法，所述方法为对硅/金属氧化物纳米线阵列进行光电化学处理。

优选地，所述方法包括以下步骤：在模拟太阳光照射下，将硅/金属氧化物纳米线阵列置于强碱溶液中，对硅/金属氧化物纳米线阵列持续施加恒定电位。

优选地，所述方法用于三电极体系，在三电极体系中分别以铂片电极、甘汞电极(SCE)和硅/金属氧化物纳米线阵列为对电极、参比电极和工作电极。

优选地，所述强碱溶液为1M NaOH或1M KOH。

优选地，所述恒定电位为0.19-0.6V，相对于饱和甘汞电极(SCE)。

优选地，所述持续时间为1-5小时。

优选地，所述硅/金属氧化物纳米线阵列中的金属氧化物为氧化铁、氧化镍或氧化钴，但不仅限于此三种氧化物。

本发明的发明人意外地发现，通过模拟太阳光照射、置于强碱溶液以及施加恒定电位三者的协同作用的光电化学处理，得到的硅/金属氧化物纳米线阵列光电流大幅提升。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了提高硅/金属氧化物纳米线阵列光电化学性能的方法，该方法通过对硅/金属氧化物纳米线阵列进行光电化学处理来提高光电化学性能，填补了现有技术的空白，使用该方法提升半导体光电极光电化学性能不仅成本低，且工艺简单，便捷有效，不仅进一步提高光电化学分解水效率，而且使这一先进技术真正实现实用化。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出硅/氧化铁(a)、硅/氧化镍(b)和硅/氧化钴(c)纳米线阵列的扫描电子显微镜图。

图2示出本发明实施例1的硅/氧化铁纳米线阵列经过光电化学处理前、后的线性扫描伏安(LSV)曲线。

图3示出本发明实施例2的硅/氧化镍纳米线阵列经过光电化学处理前、后的线性扫描伏安(LSV)曲线。

图4示出本发明实施例3的硅/氧化钴纳米线阵列经过光电化学处理前、后的线性扫描伏安(LSV)曲线。

图5示出本发明对比例1的硅/氧化铁纳米线阵列处理前、后的线性扫描伏安(LSV)曲线。

图6示出本发明对比例2的硅/氧化铁纳米线阵列处理前、后的线性扫描伏安(LSV)曲线。

图7示出本发明对比例3的硅/氧化铁纳米线阵列处理前、后的线性扫描伏安(LSV)曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

用铟镓合金和铜片从硅片背面引出导线，露出小面积硅/氧化铁纳米线阵列，其余部分用环氧树脂进行密封。硅/氧化铁纳米线阵列的扫描电子显微镜图如图1(a)所示。

对硅/氧化铁纳米线阵列进行光电化学处理：在三电极体系中，以分别以铂片电极、甘汞电极(SCE)和硅/氧化铁纳米线阵列为对电极、参比电极和工作电极；电解液为1M NaOH，光源为AM1.5模拟太阳光；在模拟太阳光照射下，将硅/氧化铁纳米线阵列置于1M NaOH中，用电化学工作站对工作电极施加0.6V(相对于SCE)的电位，持续1小时。光电化学处理前、后，分别测试硅/氧化铁纳米线阵列在光开和关的线性扫描伏安(LSV)曲线，结果如图2所示。由图2可见，硅/氧化铁纳米线阵列经过光电化学处理后光电流得到极大提升。

实施例2

用铟镓合金和铜片从硅片背面引出导线，露出小面积硅/氧化镍纳米线阵列，其余部分用环氧树脂进行密封。硅/氧化镍纳米线阵列的扫描电子显微镜图如图1(b)所示。

对硅/氧化镍纳米线阵列进行光电化学处理：在三电极体系中，以分别以铂片电极、甘汞电极(SCE)和硅/氧化镍纳米线阵列为对电极、参比电极和工作电极；电解液为1M KOH，光源为AM1.5模拟太阳光；在模拟太阳光照射下，将硅/氧化镍纳米线阵列置于1M KOH中，用电化学工作站对工作电极施加0.19V(相对于SCE)的电位，持续5小时。光电化学处理前、后，分别测试硅/氧化镍纳米线阵列在光开和关的线性扫描伏安(LSV)曲线，结果如图3所示。由图3可见，硅/氧化镍纳米线阵列经过光电化学处理后光电流得到极大提升。

实施例3

用铟镓合金和铜片从硅片背面引出导线，露出小面积硅/氧化钴纳米线阵列，其余部分用环氧树脂进行密封。硅/氧化钴纳米线阵列的扫描电子显微镜图如图1(c)所示。

对硅/氧化钴纳米线阵列进行光电化学处理：在三电极体系中，以分别以铂片电极、甘汞电极(SCE)和硅/氧化镍纳米线阵列为对电极、参比电极和工作电极；电解液为1M NaOH，光源为AM1.5模拟太阳光；在模拟太阳光照射下，将硅/氧化钴纳米线阵列置于1M NaOH中，用电化学工作站对工作电极施加0.6V(相对于SCE)的电位，持续5小时。光电化学处理前、后，分别测试硅/氧化钴纳米线阵列在持续光照下的线性扫描伏安(LSV)曲线，结果如图4所示。由图4可见，硅/氧化钴纳米线阵列经过光电化学处理后光电流得到极大提升。

对比例1

对硅/氧化铁纳米线阵列进行光电化学处理方法同实施例1，区别在于：处理过程在黑暗条件下进行。测试硅/氧化铁纳米线阵列在光开和关的线性扫描伏安(LSV)曲线，结果如图5所示。由图5可见，硅/氧化铁纳米线阵列不施加模拟太阳光照射处理后的光电流密度低于实施例1。

对比例2

对硅/氧化铁纳米线阵列进行光电化学处理方法同实施例1，区别在于：处理过程中不对工作电极施加恒定电位。测试硅/氧化铁纳米线阵列在光开和关的线性扫描伏安(LSV)曲线，结果如图6所示。由图6可见，硅/氧化铁纳米线阵列不施加恒定电位处理的光电流密度低于实施例1。

对比例3

对硅/氧化铁纳米线阵列进行光电化学处理方法同实施例1，区别在于：处理过程中使用电解液为1M硫酸钠溶液。测试硅/氧化铁纳米线阵列在光开和关的线性扫描伏安(LSV)曲线，结果如图6所示。由图6可见，硅/氧化铁纳米线阵列在中性电解液中处理后的光电流密度低于实施例1。

结论：模拟太阳光照射、置于强碱溶液以及施加恒定电位之间相互配合，协同作用，使其提升光电性能的作用效果最优，缺少任一条件其光电化学性能都不能显著提升甚至下降。本发明不仅进一步提高光电化学分解水效率，而且使这一先进技术有可能真正实现实用化。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。