[发明专利]一种硅基光电极、及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种硅基光电极、及其制备方法和用途。所述硅基光电极包括Si层和依次设置于所述Si层表面的钝化层、缓冲层和催化保护层。本发明所述硅基光电极中钝化层、缓冲层和催化保护层皆为致密的薄膜材料，其中，催化保护层具有良好的电催化活性，能有效降低反应过电势的同时，在溶液中还能够保持良好的稳定性；Si层表面的钝化层可以降低Si的表面态，减少费米能级钉扎，抑制电子和空穴在硅表面复合；缓冲层可以保护钝化层在制备催化保护层过程中不被破坏，并且从热力学和动力学两方面提高电极的光电性能。

技术领域

本发明属于光电催化领域，具体涉及一种硅基光电极、及其制备方法和用途。

背景技术

光电化学分解水是将太阳能转化成清洁能源是解决能源危机和环境污染的有效途径之一。光电化学分解水包括两个半反应：在阴极发生水的还原产生氢气，在阳极发生水的氧化产生氧气。与还原反应相比，涉及四电子转移过程的析氧反应由于其缓慢的动力学和较高的过电势而面临更严峻的挑战。因此，设计一种稳定高效的光阳极以实现可用的太阳能水分解至关重要。

n-Si作为一种良好的光阳极材料，近年来受到了研究人员的广泛关注。Si不仅在地球上储量丰富，成本相对低廉，而且其带隙约为1.12eV，光谱响应范围很宽；块体内部缺陷少，具有较高的载流子迁移率和载流子寿命。然而n型硅作为光阳极时还面临一些挑战。Si在溶液中的稳定性较差，在水氧化条件下极易发生光腐蚀，生成绝缘的SiO₂，阻止了反应的进一步进行；另外，Si作为一种光吸收材料，并不具有产氧(OER)催化活性，使得OER过电势较高。这些缺点极大地限制了它的广泛应用。为了获得高效稳定的Si基光阳极，对Si进行适当的表面修饰是非常必要的。

CN108203834A公开了一种三元复合硅基光电极及其制备方法，所述方法包括以下步骤：S1、提供一硅片，刻蚀在硅片表面形成纳米结构；S2、采用滴液法将量子点二硫化钼分散液分散到硅片表面，在硅片表面形成量子点二硫化钼；S3、在硅片表面继续沉积活性薄膜层，活性薄膜层包括钴、镍、钴化合物、镍化合物中的一种或多种，得到三元复合硅基光电极。所述方法得到的三元复合硅基光电极光电化学活性较差，且成本较高。

CN101575713B公开了一种用于光电化学分解水制氧的光阳极及其制备方法，所述光阳极包括：导电玻璃；在导电玻璃上的具有凸起的溅射层；和在溅射层上的Ni-Fe氧化物膜层。所述方法包括以下步骤：(a)对导电玻璃进行溅射镀膜，然后将丝网贴在溅射层上，继续溅射；和(b)将步骤(a)中处理的导电玻璃浸入到含有镍盐和铁盐的提拉用溶液中进行提拉成膜，然后将其干燥和热处理。所述方法得到的光阳极电化学活性较差，催化效率较低。

CN107513723A公开了一种降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水起始电位的方法，通过对制备的Ni/n-Si光阳极进行一个简单的快速热处理过程，减少了存在于Ni/n-Si界面之间的界面态，解除了这些界面态引起的费米能级钉扎效应，提高了Ni/n-Si所形成的肖特基势垒高度，从而在光照时Ni/n-Si光阳极产生更高的光生电压，最终降低了Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位。所述Ni/n-Si光阳极光电化学分解水起始电位的方法操作简单，成本低廉，但其电化学活性较差，催化效率较低。

因此，本领域亟需制备出一种高效稳定低成本的Si基光阳极，不但能获得较高的光电化学活性，还能具有良好的稳定性，以实现有效的光电化学水氧化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硅基光电极、及其制备方法和用途。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种硅基光电极，所述硅基光电极包括Si层和依次设置于所述Si层表面的钝化层、缓冲层和催化保护层。