[发明专利]一种类石墨烯状无定形硅纳米片及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料制备及光催化制氢技术领域，特别涉及一种类石墨烯状无定形硅单质纳米片的制备方法及其全分解水性能。

背景技术

在能源危机和环境问题的双重压力下，氢能因其燃烧值高、无污染而成为最有希望替代现有化石能源的清洁能源；利用太阳能光催化裂解水制氢可以有效避免工业上采用的裂解化石能源制氢和电解水制氢方式耗能高、污染大的缺点，被认为是最为理想和最有前途的氢能开发途径；光催化氧化是光化学反应的一个前沿领域，其研究涉及到多个学科，特别是光催化材料的开发和研制，则是光催化技术实现各种化学反应的关键之一，因此具有相当的难度，自1972年Fujishima和Honda发现二氧化钛(TiO₂)单晶电极具有光分解水的功能以后，半导体多相光催化反应就引起了人们浓厚的兴趣。

硅是一种窄带隙半导体材料，以其良好的热电力学性能，很强的抗腐蚀能力，得到了研究者的积极关注，而且，Si的原料丰富，地层蕴藏量大、价格低廉，又使得他成为一种潜在的新型结构材料，硅的应用领域广泛，包括电子、制冷加热，半导体制造、激光、计算机领域以及军事、航空航天、汽车制造和室友化工等领域；因此，关于硅的纳米化及其制备方法，特别是二维形貌的材料，具有很大的意义。

在大量的文献报道中都提及半导体材料的形貌会对光催化性能产生很大的影响，尤其是片层结构会使得半导体材料的制氢性能得到巨大的改善；然而，目前合成硅单质纳米片状结构的报道还比较匮乏；因此，合成一种片状结构的硅单质仍然受限于合成的方法和物质的本性，所以，到目前为止还没有类石墨烯状硅单质纳米片在光催化制氢方面的报道；这也使得设计新型类石墨烯状硅单质纳米片在理论研究及实际应用仍然是一个巨大的挑战。

作为一种窄带隙的半导体材料，硅单质的禁带宽度只有1.1eV，所以其自身不能完成在光照条件下全分解水的任务，这也是把硅单质半导体应用到光催化制氢领域面临的一大挑战，本发明克服巨大的困难，首次实现硅单质在Z-Scheme体系中全分解水的能力，在光催化制氢方面具有重大的理论及应用意义。

发明内容

本发明旨在提供一种类石墨烯状无定形硅单质纳米片简便的制备方法，该方法以氧化石墨烯为模板，硅酸正乙酯，氨水、蒸馏水与乙醇的混合溶液为溶剂，利用溶胶-凝胶法、煅烧除模板，制得新型类石墨烯状硅单质纳米片材料。

本发明提供一种新型类石墨烯状硅单质纳米片的制备方法，其特征包括以下步骤：

（1）氧化石墨烯的制备：本实验石墨烯的制备方法是一种改性的Hummers方法，具体操作为，一定量的混合石墨、K₂S₂O₈、P₂O₅混匀后加入浓硫酸a，恒温加热一定时间后，水洗、过滤干燥后得到预氧化石墨b；干燥后的预氧化石墨b与浓硫酸c混合以实现深度氧化，期间加入适量KMnO₄，恒温处理后加入水与双氧水，最后用稀盐酸处理去除金属离子，超声离心后得到氧化石墨烯。

（2）SiO₂前驱体与氧化石墨烯的复合：不同量的硅酸正乙酯分散在乙醇、水和氨水的混合液中，得到溶液A，把氧化石墨烯分散在水中，得到溶液B，在搅拌状态下，将溶液B加入到溶液A中，得到溶液C；溶液C在室温下搅拌一定的时间，离心、醇洗后得到SiO₂前驱体与氧化石墨烯的复合物D；在通空气的条件下煅烧复合物D得到SiO₂纳米片。

（3）类石墨烯状无定形硅单质纳米片的制备：按重量比取Mg粉（200目）与SiO₂纳米片混合均匀，放入瓷坩埚中E；在管式炉中，用H₂/Ar混合气作为保护气，一定温度下煅烧一定时间得到类石墨烯状硅单质纳米片F，酸洗去除未反应的Mg和SiO₂得到纯相类石墨烯状无定形硅单质纳米片G。

步骤（1）中，所述的混合石墨、K₂S₂O₈、P₂O₅重量比为1：2：2。

步骤（1）中，所述浓硫酸a的体积与混合石墨质量的比例为6：1（ml：g）。步骤（1）中，所述恒温加热的加热时间为2小时，加热温度80℃。

步骤（1）中，所述浓硫酸c的用量为浓硫酸a体积的10倍。