高效稳定的硅基光解水制氢电极及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光电化学池的半导体电极领域，具体为一种新型复合硅电极(p-si/cds/tio2/pt)结构设计及其制备方法。

背景技术：

光催化分解水制氢技术，可将太阳能有效转换为氢能，是解决能源危机和环境问题的重要途径之一。si具有优良的吸光能力(波长小于930nm)和电荷迁移能力(电子和空穴分别为1600和400cm²s^-1v^-1)，在全光谱、无牺牲剂条件下，si电极的光解水研究取得了一系列突破，引起业界的广泛关注^[1]。并且，si作为地壳中含量仅次于氧的元素，价格相对低廉。然而，由于si产生光生电压较小，无法达到全解水电位1.23v，因此需要较大的外加偏压，增大能耗。目前光阴极p-si提升光生电压的方式主要是表面p重掺杂结构(pn⁺)、金属绝缘层半导体结构(mis)、与其他n型半导体形成异质结(p-n结)等。2011年，美国加州理工大学的nathans.lewis等人制备的pn⁺平面光电阴极可以有效提高硅电极的光生电压，开路电压由0.3v提升至0.56v，能量换效率约9.6％^[1]。liji^[2]等人使用分子束外延技术制备1.6-4nm的srtio3薄膜取代sio2，制备新型mis结构(p-si/sto/ti/pt),研究发现1.6nmsrtio3可以有效提升光生电压，光生电压可以达到0.45v。然而这些制备工艺复杂且成本高，不利于大面积应用实施。而利用n型半导体与p型硅形成异质结，工艺简单，成本降低，为实现全解水制氢提供可能，例如p-si/n-zno^[3]，p-si/n-wo3^[4]，p-si/n-fe2o3^[5]等，然而存在光生电压不高、光电转换效率太低以及稳定性等一系列的问题。

硫化镉材料(cds)，其直接带隙在2.1至2.4ev之间，是ii-vi族的重要半导体之一。cds已被用于光电器件，发光二极管，光催化和光电探测器。例如，用于发光二极管的p-si/n-cds径向纳米线异质结具有明显的光谱响应。在pec测量中，n型cds主要沉积在黄铜矿半导体上以形成p-n结。事实上，许多合成方法已经用于制备cds，包括真空蒸发，化学浴沉积(cbd)，电渗析等。其中，cbd技术是生产低成本，粘合型佳和大面积生产cds薄膜的最简单快速的方法。然而，cds在含水电解质中的稳定性有限，在水分解过程中容易发生光腐蚀。为了水分解光电阴极的应用，必须加以保护，以防止含水介质中固有的光腐蚀。二氧化钛被认为是实现非常长期电化学稳定性的最理想的材料之一。2013年，丹麦科技大学的ibchorkendorf^[6]等人在pn⁺平面光电阴极溅射5nm金属钛和100nm氧化钛，负载铂助剂后，红外光下(λ>635nm，38.6mwcm^-2)可以稳定72h，后来采用原子层沉积技术优化，同样电极结构及测试条件可以稳定30天。因此我们选择在硅和硫化镉上面沉积氧化钛，以实现较好的稳定性。

参考文献：

[1]s.w.boettcher,e.l.warren,m.c.putnam,e.a.santori,d.turner-evans,m.d.kelzenberg,m.g.walter,j.r.mckone,b.s.brunschwig,h.a.atwater,n.s.lewis,journaloftheamericanchemicalsociety2011,133,1216-1219.

[2]l.ji,m.d.mcdaniel,s.wang,a.b.posadas,x.li,h.huang,j.c.lee,a.a.demkov,a.j.bard,j.g.ekerdt,e.t.yu,naturenanotechnology2015,10,84-90.

[3]a.kargar,k.sun,y.jing,c.choi,h.jeong,y.zhou,k.madsen,p.naughton,s.jin,g.y.jung,d.wang,nanoletters2013,13,3017-3022.

[4]k.h.yoon,d.k.seo,y.s.cho,d.h.kang,journalofappliedphysics1998,84,3954-3959.

[5]a.kargar,s.j.kim,p.allameh,c.choi,n.park,h.jeong,y.pak,g.y.jung,x.pan,d.wang,s.jin,advancedfunctionalmaterials2015,25,2609-2615.

[6]b.seger,t.pedersen,a.b.laursen,p.c.k.vesborg,o.hansen,i.chorkendorff,journaloftheamericanchemicalsociety2013,135,1057-1064.

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供高效稳定的硅基光解水制氢电极的新型设计(p-si/cds/tio2/pt)的结构设计及其制备方法。本发明要解决的是单晶硅光电阴极光生电压不足及在溶液中不稳定的问题，同时取代复杂昂贵、高耗能的pn⁺、mis制备工艺，对硅电极化学浴沉积硫化镉层形成异质结提高光生电压，氧化钛材料作为外保护层，提高其稳定性，负载铂助剂后实现良好光电催化性能。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

高效稳定的硅基光解水制氢电极，包括p型硅基底(p-si)、硫化镉异质结层(cds)，二氧化钛保护层(tio2)和铂(助)催化剂(pt)，在p型硅基底(p-si)上化学沉积硫化镉异质结层，在硫化镉异质结层上原子层沉积二氧化钛保护层，在二氧化钛保护层上光电沉积铂纳米颗粒，作为铂催化剂(pt)。

在上述技术方案中，p型硅基底为p型单晶(100)硅片，单面抛光，厚度300—800μm，优选500—800μm。

在上述技术方案中，铂纳米颗粒粒径为30—70nm，优选40—50nm。

在上述技术方案中，二氧化钛保护层旨在覆盖和保护硫化镉异质结层，以表面光腐蚀，需要均匀覆盖在硫化镉异质结层上，厚度为5～20nm，优选10—20nm。

在上述技术方案中，硫化镉异质结层均匀覆盖在p型硅基底上，以与p型硅基底形成硅—硫化镉异质结，其厚度为50—100nm，优选80—100nm。

在进行制备时，按照下述步骤进行：

步骤1，在硅片化学沉积硫化镉异质结层

将硅片垂直悬入前驱体溶液中进行化学沉积，前驱体溶液为硫酸镉和硫脲的水溶液并加入氨水混合均匀，其中硫酸镉为0.5—1质量份、硫脲为1—1.5质量份、去离子水为150—200体积份，氨水为20—25体积份，质量百分数为25％～28％(nh3/氨和水的质量之和)；

在步骤1中，硫酸镉为0.5—0.7质量份、硫脲为1—1.2质量份、去离子水为180—200体积份，氨水为20—25体积份，每一质量份为1g，每一体积份为1ml。

在步骤1中，将配置好的前驱体溶液在70—80℃下水浴条件下搅拌预热1—5min后，再将si片进行化学沉积，沉积时间为5—30min，优选10—20min。

在步骤1中，将化学沉积完毕的硅片从前驱体中迅速拿出，用去离子水冲洗掉表面的cds，并将沉积好的si片用n2吹干，装入样品盒中标记，用真空包装机抽取出空气保存备用。

步骤2，以原子层沉积仪器在已经化学沉积硫化镉异质结层上原子层沉积二氧化钛保护层，二氧化钛前驱体为钛酸四异丙酯，利用其与超纯水反应生成二氧化钛保护层；

在步骤2中，原子层沉积温度为150—300摄氏度，优选200—270摄氏度。

在步骤2中，选用的原子层沉积设备，如中国专利“一种原子层沉积设备”(申请号为201420770964x，申请日为2014年12月9日，授权公告日为2015年6月10日)记载，将二氧化钛前驱体钛酸四异丙酯和超纯水作为反应溶液，采用五氧化二钽原子层薄膜的生长制备工艺参数即可实现二氧化钛原子层的生长。

步骤3，将经步骤2已经化学沉积硫化镉异质结层和原子层沉积二氧化钛保护层的硅片进行电极封装，以使二氧化钛保护层裸露在外并沉积元素铂(作为铂助剂)，采用标准三电极装置进行阴极光电沉积，将硅片作为工作电极，铂片电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，ph＝7且浓度5—10mm氯铂酸钾的水溶液，为阴极电沉积过程的电沉积溶液。

在步骤3中，电沉积参数：在+0.1—0.5v(相对于银/氯化银电极)电压下沉积至少1min，优选1—10min，取出，去离子水冲洗干净，氮气吹干备用。

在进行制备时，将购买的硅片进行清洗—将p-si成品切割成若干个2cm×2cm小正方形，第一步，在85℃下的食人鱼溶液(v浓硫酸：v浓过氧化氢＝3：1)中浸泡10min，用去离子水冲洗干净，n2吹干，以除去si片表面的有机污染物；第二步，再将硅片依次放置体积百分数1％hf水溶液中浸泡2min，用去离子水冲洗干净，n2吹干，此步骤可以除去sio2及附带金属；第三步，为了进一步彻底清除si片上的有机物和重金属，将si片浸泡在75℃的rcaii号溶液(v浓过氧化氢：v浓盐酸：v水＝1：1：6)中15min，用去离子水冲洗干净，n2吹干，备用，浓硫酸的质量百分数为98wt％，浓过氧化氢为体积百分数30wt％的过氧化氢的水溶液，浓盐酸为质量百分数38％的氯化氢的水溶液。

在进行制备时，在化学沉积硫化镉异质结层和原子层沉积二氧化钛保护层后，对硅片试样进行电极封装，以使硅片上硫化镉异质结层和二氧化钛保护层裸露在外，作为工作电极并沉积元素铂——将所制备硅片试样全部使用超纯水进行冲洗并用氮气枪吹干，裁剪宽1cm的铜片若干，用牙签取少许铟镓合金在硅片背面涂抹均匀，然后将硅片和铜片粘合在一起，随后将其放置在载玻片上，利用适量环氧树脂ab结构胶，将硅片四周封好，通风橱内风干12h或80℃烘箱内烘干2h，封装过程结束。

采用sem和xrd进行分析表征，如附图所示，掠角xrd衍射图谱，入射角度为3°，分别说明硅电极，硅/硫化镉电极，硅/氧化钛电极，硅/硫化镉/氧化钛电极的物性，可以明显看出硫化镉存在明显结晶性，成闪锌矿相，并且高温270度沉积的氧化钛也存在明显锐钛矿结晶性质，且化学沉积硫化镉异质结层和原子层沉积二氧化钛保护层形成很好连接结构，即本发明的高效稳定的硅基光解水制氢电极作为工作电极，在光解水制氢中的应用。

本发明为了解决硅电极材料光生电压不足、不稳定的问题，取代复杂昂贵、高耗能的pn⁺、mis制备工艺，同时利用硅电极良好的吸光性能和电荷迁移能力，设计一种高效稳定的新型硅基光解水制氢电极，包括硅片基底表面清洗，降低氧化硅的厚度；化学浴沉积cds，提升光生电压；利用氧化钛材料作为外保护层，提高其稳定性；最后表面负载铂助催化剂(pt)，加速表面反应，减小过电位。试验表明，该电极起始电位在0.42vvsrhe，在0vvsrhe时，负载铂助剂后光电流最高达到21.3—21.9macm^-2，能量转换效率可达2.01—2.07％，可稳定1h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(一)本发明通过自制含磷硅乳胶掺杂剂，在p型硅表面形成重掺杂，有效提升硅电极的光生电压，同时，相对于气相掺杂，无毒，少污染，操作过程简单，无需大型仪器设备，经济可行，并且制备过程可控性强，重复性好。

(二)本发明通过原子层沉积的方法在单晶硅电极上沉积五氧化二钽保护层，光生电子传导提供了有效传输路径，有效的抑制了电子-空穴对的复合，从而提高了光电化学池光解水制氢活性，增强了单晶硅电极的稳定性。

(三)本发明通过光电沉积铂颗粒的方法，有效增大电极表面反应速率，提高了材料的光解水效率。

(四)本发明的p-si/cds/tio2/pt电极能够作为一种高效的光电阴极材料，可用于光电化学池光解水制氢，高效地将太阳能转化为清洁能源，有效缓解当今化石燃料短缺、环境污染严重的问题。

附图说明

图1为本发明制氢电极的结构示意图。

图2为本发明中不同电极的电流电位活性曲线，其中横坐标电压为与标准氢电极相比的电位，纵坐标为电流密度，曲线1为p-si/pt，2为p-si/cds/pt，3为本发明的p-si/cds/tio2/pt。

图3为本发明中不同电极的电流时间稳定性曲线，其中测试条件为电极恒电位(0vvs.rhe)，曲线1为p-si/pt，2为p-si/cds/pt，3为本发明的p-si/cds/tio2/pt。

图4为本发明中不同电极的光电转换效率图，其中横坐标电压为与标准氢电极相比的电位，曲线1为p-si/pt，2为p-si/cds/pt，3为本发明的p-si/cds/tio2/pt。

图5为本发明制备的硅片上沉积cds和二氧化钛的sem照片，其中(1)为表面照片，(2)为断面照片。

图6为本发明制备方法中各个步骤产物的xrd测试谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。所用硅片为p型单晶(100)硅片，单面抛光，厚度500μm，购于合肥科晶材料技术有限公司，并在使用之前进行清洗。浓硫酸的质量百分数为98wt％，浓过氧化氢为体积百分数30wt％的过氧化氢的水溶液，浓盐酸为质量百分数38％的氯化氢水溶液，浓氨水的质量百分数为25wt％，氢氟酸质量百分数为40％。选用的原子层沉积设备，如中国专利“一种原子层沉积设备”(申请号为201420770964x，申请日为2014年12月9日，授权公告日为2015年6月10日)记载，将二氧化钛前驱体钛酸四异丙酯和超纯水作为反应溶液，采用五氧化二钽原子层薄膜的生长制备工艺参数即可实现二氧化钛原子层的生长。

实施例1：

(1)硅片清洗

将p-si成品切割成若干个2cm×2cm小正方形。

a)在85℃下的食人鱼溶液(v浓硫酸:v浓过氧化氢＝3:1)中浸泡10min，用去离子水冲洗干净，n2吹干，以除去si片表面的有机污染物；

b)将硅片依次放置体积百分数1％hf的水溶液中浸泡2min，用去离子水冲洗干净，n2吹干，此步骤可以除去sio2及附带金属；

c)为了进一步彻底清除si片上的有机物和重金属，将si片浸泡在75℃的rcaii号溶液(v浓过氧化氢:v浓盐酸:v水＝1:1:6)中15min，用去离子水冲洗干净，n2吹干，备用。

(2)硫化镉层的制备

a)前驱体溶液配制：取0.625g硫酸镉(cdso4)，溶于20ml去离子水，即硫酸镉浓度为0.015mol/l，将1.1418g硫脲溶于10ml去离子水，即硫脲浓度为1.5mol/l加入25ml浓氨水，再加入150ml去离子水，溶液搅拌均匀备用；

b)将配置好的前驱体溶液在70℃下水浴条件下搅拌预热1min，再将清洗过的si片垂直悬入前驱体溶液中，计时沉积12min后，迅速拿出，用去离子水冲洗掉表面的cds，并将沉积好的si片用n2吹干，装入样品盒中标记，用真空包装机抽取出空气保存备用。

(3)保护层的制备

采用自制原子层沉积仪器(ald)沉积氧化钛10nm，沉积温度为270℃。

(4)铂助剂的沉积

采用标准三电极装置进行阴极光电沉积步骤。将硅电极作为工作电极，铂片电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极。将5mm氯铂酸钾溶液(ph＝7)为阴极电沉积过程的电沉积溶液。在-0.6v(相对于银/氯化银电极)电压下沉积60s，取出，去离子水冲洗干净，氮气吹干备用。

实施例1的光电流密度-电势、光电流密度-时间曲线(恒电位+200mvvs标准氢电极)曲线图如说明书附图所示。

实施例2：

(1)硅片清洗

a)同实施例1；

b)将硅片依次放置体积浓度1％hf溶液中浸泡1min，用去离子水冲洗干净，n2吹干，此步骤可以除去sio2及附带金属。

c)同实施例1；

(2)硫化镉层的制备同实施例1；

(3)保护层的制备同实施例1；

(4)铂助剂的沉积同实施例1。

实施例3：

(1)硅片清洗

a)同实施例1；

b)将硅片依次放置体积浓度1％hf溶液中浸泡3min，用去离子水冲洗干净，n2吹干，此步骤可以除去sio2及附带金属。

c)同实施例1；

(2)硫化镉层的制备同实施例1；

(3)保护层的制备同实施例1；

(4)铂助剂的沉积同实施例1。

实施例4：

(1)硅片清洗同实施例1；

(2)硫化镉层的制备

a)前驱体溶液配同实施例1；

b)硫化镉沉积时间6min，其余同实施例1。

(3)保护层的制备同实施例1；

(4)铂助剂的沉积同实施例1。

实施例5：

(1)硅片清洗同实施例1；

(2)硫化镉层的制备

a)前驱体溶液配同实施例1；

b)硫化镉沉积时间18min，其余同实施例1。

(3)保护层的制备同实施例1；

(4)铂助剂的沉积同实施例1。

实施例6：

(1)硅片清洗同实施例1；

(2)硫化镉层的制备同实施例1；

(3)保护层的制备

采用自制原子层沉积仪器(ald)沉积氧化钛5nm，沉积温度为270℃。

(4)铂助剂的沉积同实施例1。

实施例7：

(1)硅片清洗同实施例1；

(2)硫化镉层的制备同实施例1；

(3)保护层的制备

采用自制原子层沉积仪器(ald)沉积氧化钛20nm，沉积温度为270℃。

(4)铂助剂的沉积同实施例1。

实施例8：

(1)硅片清洗同实施例1；

(2)硫化镉层的制备同实施例1；。

(3)保护层的制备

采用自制原子层沉积仪器(ald)沉积氧化钛10nm，沉积温度为150℃。

(4)铂助剂的沉积同实施例1。

实施例9：

(1)硅片清洗同实施例1；

(2)硫化镉层的制备同实施例1；

(3)保护层的制备

采用自制原子层沉积仪器(ald)沉积氧化钛10nm，沉积温度为200℃。

(4)铂助剂的沉积同实施例1。

实施例10：

(1)硅片清洗同实施例1；

(2)硫化镉层的制备同实施例1；

(3)保护层的制备同实施例1

(4)铂助剂的沉积

采用标准三电极装置进行阴极光电沉积步骤。将硅电极作为工作电极，铂片电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极。将5mm氯铂酸钾溶液(ph＝7)为阴极电沉积过程的电沉积溶液。在-0.6v(相对于银/氯化银电极)电压下沉积30s，取出，去离子水冲洗干净，氮气吹干备用。

实施例11：

(1)硅片清洗同实施例1；

(2)硫化镉层的制备同实施例1；

(3)保护层的制备同实施例1

(4)铂助剂的沉积

采用标准三电极装置进行阴极光电沉积步骤。将硅电极作为工作电极，铂片电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极。将5mm氯铂酸钾溶液(ph＝7)为阴极电沉积过程的电沉积溶液。在-0.6v(相对于银/氯化银电极)电压下沉积90s，取出，去离子水冲洗干净，氮气吹干备用。

实施例12：复合硅电极用于光电化学池光解水制氢

将实施例1-11所制备的硅电极作为工作电极，铂片电极作为对电极，银/氯化银电极为参比电极组装成光电化学池，进行光电性质及光解水制氢性能试。电解液为1mol/l的磷酸缓冲液，工作电极光照面积为0.2-0.5cm²；

采用300w的氙灯搭配am1.5g滤光片获得模拟太阳光，光电化学池工作电极处光强度经辐照计测试后为100mw/cm²。

进行光电化学性能测试，在相对于标准氢电极0v下，实施例1-11所制备的复合硅电极的光电流密度如下表所示。

上述测定结果表明，表面重掺杂的程度以及铂负载的量影响硅电极的起始电位，氧化钛的厚度影响电极的稳定性。附图中曲线1和2均采用本发明制备工艺进行制备，直接在硅片上沉积铂形成p-si/pt，在硅片上设置cds层后再沉积铂，形成p-si/cds/pt。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。