[发明专利]硅膜/二氧化钛纳米管阵列复合结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料领域，具体涉及一种Si膜/TiO₂纳米管阵列复合结构的制备方法。

背景技术

太阳能是一种几乎取之不尽用之不竭的清洁能源，近几年来，随着光催化材料的发展，很多研究工作者将研究方向转向了通过光催化的方法利用光能将CO₂还原为碳氢燃料，以达到再次循环的目的。其中，由于TiO₂在光催化反应中表现出的得天独厚的优越性，越来越多的人对TiO₂基结构的光催化材料进行了研究。Adachi等人(SOLAR ENERGY 1994年第53期第187页)将Cu负载到TiO₂粉末上，在Xe灯的照射下将CO₂转化为CH₄和C₂H₆。Anpo等人(Journalof Physical Chemistry B 1997年第101期第2632页)又将TiO₂粉末负载在沸石分子筛上在328K下将CO₂和H₂O高选择性的还原成了CH₃OH。不久前，Oomman等人(NANO LETTER 2009年第9卷第2期第731页)制备了氮掺杂的TiO₂纳米阵列，并在其上负载了Cu纳米粒子与Ag纳米粒子，在户外可见光的照射下高效的成功的将CO₂还原为CH₄、CO等。

相比其它半导体材料，硅(Eg＝1.12eV)可大量的利用太阳光中的可见光光子能量，然而较窄的禁带宽度导致了其仍存在光生电子-空穴极易发生复合而使得光电转换效率降低的问题。最早在1976年，Mirisaki等人(APPLIED PHYSICSLETTERS 1976年第29卷第6期第338页)在p-Si和n-Si组成的太阳能电极上，用CVD的方法在Si电极上沉积了一层TiO₂薄膜，增大了电极的光生电压，提高了光解水的效率。加州大学伯克利分校的杨培东等(NANO LETTER 2009年第9卷第410页)于2009年报道了采用原子层沉积(ALD)技术制备高密度共轴Si/TiO₂核-壳纳米线阵列。研究发现Si/TiO₂异质结构的构建可弥补TiO₂光吸收范围小的缺点，且在异质结上发生的能带弯曲效应可提高电子-空穴的分离能力，进一步提高光催化性能。他们还发现Si/TiO₂界面的产生可减少光生空穴的损失因而进一步提高光阳极电流，这一点在光电催化降解有机污染物或分解水制氢能领域上有着重要的意义和价值。

发明内容

解决的技术问题：本发明针对现有技术中提及的Si/TiO₂界面材料的优点，提供一种制备硅膜/二氧化钛纳米管阵列复合结构的方法，该方法可以对工艺参数进行选择，从而控制复合结构的功能参数，制备成本低。

技术方案：

本发明提出的Si膜/TiO₂纳米管阵列复合结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、钛片的预处理：将钛片裁剪后，先分别于丙酮、乙醇溶液中超声15min，风干，然后浸于HF∶HNO₃∶H₂O＝1∶4∶5(体积比)的混合酸液于通风橱中蚀刻一段时间，最后用去离子水清洗，并放于空气中风干。

2)、采用一步阳极氧化法制备TiO₂纳米管阵列：

钛片、石墨电极分别接到直流稳压电源的正、负极，0.1％-0.5％(体积分数)氢氟酸溶液为电解质，施加直流电压15-30V。10-30min反应完毕后，将样品放在管式炉中按如下条件锻烧：以一定升温速率从室温升到400-600℃，然后保温1h再冷却到室温，即可制得TiO₂纳米管阵列。

3)、化学气相沉积Si膜：利用化学气相沉积方法在TiO₂纳米管阵列膜上沉积Si，沉积参数为：衬底温度＝200℃，功率＝10W，气压＝69Pa，SiH₄流量＝1-4sccm，H₂流量＝4-16sccm，沉积时间＝10-30min。即可得到厚度约为200-500nm的Si膜。