[发明专利]一种Pt/硅纳米阵列结构复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种Pt/硅纳米阵列结构复合材料及其制备方法。

背景技术

硅材料作为吸收太阳能，利用太阳能将水转换成氢燃料的材料，相比于TiO₂，Fe₂O₃，具有光吸收范围更宽的优点；对CdS，GaP等材料，具有更稳定的光电化学性能，在光伏器件中有广泛的应用前景。研究表明，硅在转化太阳能制备氢的过程中，在固体/液体界面缓慢的电荷转移速度和在本体及表面的光生电子空穴对的复合限制了硅的太阳能转化效率，从而限制了其应用。在硅的太阳能转化效率的提高上，可以采用添加催化剂的方式来提高光电器件中光生电子空穴对的有效分离。然而，在催化剂的引入中，传统的方法是在含氟溶液中利用硅直接还原金属（Galvanic displacement），但这产生了二次化学破坏，使得硅基体材料的表面缺陷增加，而这些缺陷会成为光生电子和空穴的复合中心，不利于光电能量转换。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种Pt/硅纳米阵列复合材料及其制备方法。采用Pt/硅纳米阵列复合的方式来增强光催化效率，通过调整电化学参数控制材料的微观形貌结构，从而加快光生载流子的转移速率，提高能量的转化效率。同时，提供一种脉冲电沉积法—多电位阶跃复合金属的制备方法，减少缺陷的形成。

本发明提供如下技术方案：

一种Pt/硅纳米阵列的复合材料，所述Pt为簇状，所述硅纳米阵列为规则孔状或线状，所述Pt位于所述硅纳米阵列顶端。

优选的，所述Pt为花状。

优选的，所述Pt直径为25-800nm。

优选的，所述硅纳米阵列为线状。

优选的，所述硅纳米阵列直径为30-200nm。

一种Pt/硅纳米阵列的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（a）将硅纳米阵列作为工作电极，将Ag/AgCl作为参比电极，Pt电极为对电极，按照三电极体系连接电路；

（b）将所述三电极体系浸入电解质溶液中，所述电解质溶液为含有Pt离子的溶液，Pt离子的浓度为0.25～2g/L，调节pH值至1～3；

（c）采用多电位阶跃制备Pt/硅纳米阵列的复合材料，所述多电位阶跃激励信号为脉冲周期信号，所述脉冲周期信号施加于工作电极上，脉冲周期为10～60次。

优选的，所述步骤（c）中的脉冲周期信号为-0.3～-0.6V阴极脉冲反应10ms～50ms，随即阶跃至+0.3～+0.6V阳极脉冲反应2.5～25ms，关断反应100ms～500ms。

优选的，所述步骤（c）中的脉冲反应周期循环次数为50～60次。

优选的，所述硅纳米阵列的制备步骤为：

将单晶硅片，依次用去离子水、无水乙醇和丙酮进行超声洗涤，然后浸渍在H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液中10～20分钟后取出；

将单晶硅片置于质量分数为5％的HF水溶液中，静置1～5分钟后取出；

将单晶硅片迅速转入含HF和AgNO₃的混合溶液中反应60～180秒后取出；

将单晶硅片转入HF和H₂O₂溶液中，在避光条件下反应15～60分钟，得到硅纳米阵列；

将硅纳米阵列转入硝酸溶液中浸泡3小时，去离子水清洗后取出。

优选的，所述混合溶液由H₂SO₄和H₂O₂按照体积比3:1进行配置。

金属在硅表面上直接从溶液中还原，形成半导体-金属肖特基结，金属粒子修饰在硅的表面作为催化剂能够提高电荷转移速度和能量转换效率。对比平面结构，多孔结构和线阵列结构的硅基底，可以更有效地进行对光子的捕获，这是由于吸收基底径向长度增加，增加了光子被捕获的机会；而少数载流子的传输距离也变短而且能够定向传输；同时也大大增大加了电极的的比表面积，有利于催化反应。

对晶体硅片采用无电金属辅助催化法，即在氢氟酸溶液中，在室温条件下利用金属银（或金）的催化作用很容易得到硅纳米阵列。因此，本专利提供了一种在无氟溶液中，利用电化学脉冲电沉积技术，在经改善的硅表面沉积金属催化剂的简单方法。这种方法能消除氟离子对硅结构的二次破坏，同时能通过电沉积参数控制金属在衬底的形貌和分布。