[发明专利]一种氧化锌-多孔硅复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种氧化锌‑多孔硅复合材料及其制备方法和应用，包括以下步骤：多孔硅的制备：利用电化学阳极刻蚀的方法在单晶硅衬底上制备出多孔硅结构；氧化锌溶胶的制备：配制能够提供锌离子的溶胶；复合材料的制备：利用真空抽滤结合匀胶法在多孔硅表面复合纳米氧化锌材料，经过热处理后形成氧化锌包覆的多孔硅/氧化锌复合材料，即氧化锌‑多孔硅复合材料。利用多孔硅表面的纳米氧化锌层实现了对多孔硅表面的钝化，并且利用氧化锌的赝容特性与多孔硅的双电层特性的协同作用大大提高了多孔硅的电容特性、充放电特性和电化学稳定性，改善了多孔硅表面化学特性活跃的问题，拓宽了多孔硅在发光材料、器件等相关领域的应用前景。

技术领域

本发明属于电极材料制备领域，涉及一种氧化锌-多孔硅复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，便携式电子设备的数量和种类的快速增长已经产生了对高效微电力系统的需求。超级电容器，也称为电化学电容器，由于其高功率密度和长循环寿命而备受关注。它们通过双电层形成(双电层超级电容器)或额外的近表面氧化还原反应(伪电容器)来存储能量。开发固态微型超级电容器的主要工作集中在碳基电极材料上。已经研究了各种形式的碳或碳复合材料用于固态超级电容器应用。然而，为了进一步小型化便携式电子设备的尺寸并实现本地能量输送，期望以这样的方式制造固态微超级电容器，使得它们可以使用CMOS兼容工艺与同一芯片上的电子器件集成。因此，硅是一种明显的候选电极材料。

多孔硅是单晶硅通过电化学阳极腐蚀形成的一种具有多孔状纳米结构的新型硅基材料。其具有超的比表面积、良好的光电学性能以及很高的化学活性，在微电子器件、生物医疗、储能等领域中具有广泛的应用前景。现有技术中仅将单晶硅制成多孔硅，依靠增加比表面积来实现硅基双电层超级电容器中的电容量提高的方案，问题在于硅表面的电化学活性会使得其容易与电解质发生反应影响其电化学性能，其较高的表面活性阻碍了其在超级电容器领域的应用。而目前主流的改进方案是将硅纳米结构作为支架在其表面复合赝电容材料来提高其电化学性能。在这种方案中，第一步是创建硅基三维结构，例如纳米线阵列，以增加有效的硅表面积。第二步是用赝电容层改变硅表面电化学特性提高其性能。然而，常规金属氧化物赝容材料的高成本和复杂的复合工艺限制了其在超级电容器的应用。因此，寻找一种简单、高效钝化多孔硅表面并且能够提高多孔硅电容特性的方法成为目前人们关注的焦点。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种氧化锌-多孔硅复合材料及其制备方法和应用，本发明在钝化多孔硅表面的同时，提高多孔硅的电容特性及其电化学稳定性，解决了多孔硅表面化学特性活跃，容易与外界条件反应造成电容特性较差的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氧化锌-多孔硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

多孔硅的制备：利用电化学阳极刻蚀的方法在单晶硅衬底上制备出多孔硅结构；

氧化锌溶胶的制备：配制能够提供锌离子的溶胶；

复合材料的制备：利用真空抽滤结合匀胶法在多孔硅表面复合纳米氧化锌材料，经过热处理后形成氧化锌包覆的多孔硅/氧化锌复合材料，即氧化锌-多孔硅复合材料。

上述方案中，所述多孔硅的制备中采用的电解质为氢氟酸HF、无水乙醇和N，N-二甲基甲酰胺DMF的混合溶液，所述氢氟酸HF、无水乙醇和N，N-二甲基甲酰胺DMF的体积比为1:1:1；腐蚀电流为20-60mA/cm²，腐蚀时间为6-8min。

上述方案中，所述氧化锌溶胶的制备具体为：将醋酸锌二水合物溶解于无水乙醇中形成醋酸锌摩尔浓度为0.5-1.5M的醋酸锌-乙醇溶液；将所述醋酸锌-乙醇溶液搅拌后加入二乙醇胺溶液，继续搅拌，老化，得到氧化锌溶胶。

上述方案中，所述复合材料的制备具体包括以下步骤：

抽滤：将所述多孔硅背面进行密封防水处理，然后将多孔硅浸泡在氧化锌溶胶中，利用真空抽滤，使氧化锌溶胶充分进入多孔硅孔内；