[发明专利]一种CoP/Si析氢催化材料及其制备方法

说明书

本发明涉及光电催化制氢技术领域，具体公开了一种CoP/Si析氢催化材料及其制备方法，所述CoP为纳米片结构且呈网格状均匀分布在硅片表面，CoP层的厚度为3～5μm；本发明还提供了该材料的制备方法，具体包括以下步骤：S1、硅片表面预处理；S2、电沉积制备Si‑Co盐前驱体；S3、高温磷化。本发明提供的CoP/Si析氢催化材料将硅吸光特性和CoP的电催化特性有效结合，显示出了优异的光电催化析氢性能，而且制备方法简单、可重复性好以及与硅工艺兼容。

技术领域

本发明涉及光电催化制氢技术领域，特别涉及一种CoP/Si析氢催化材料及其制备方法。

背景技术

光解水制氢如光催化和光电催化制氢主要利用太阳能把水裂解成氢气，氢气燃烧后为水，是一种可再生的绿色能源转换方式，在节能环保、降低成本方面具有明显优势。Si材料作为太阳能电池中最重要的吸光材料之一，具有产量丰富、性能稳定、吸光率高以及集成度高等优点，在光电催化制氢方面具有重要的应用潜力。目前，硅基电池电催化析氢采取的技术方案主要是外置的硅基电池与电化学反应器中的电催化剂电极串联，利用硅基电池的光伏效应产生一定的电压，当电压大于电解水的电压阈值后，在电催化剂电极(一般有阳极和阴极)上产出氢气和氧气。该方法不仅要求电池为完整的器件即严格的电极工艺，还需要通过外接电路与电催化剂的衬底相连，分别引入了Si-引线电极、引线-电催化剂衬底回路及接触电阻和电催化剂/衬底等多种界面的电阻，这不仅降低了光电催化制氢的效率，还提高了制备工艺的复杂程度和材料成本。与此相比，若在Si吸光层上直接制备电催化剂，则可以有效避开Si上引线电极以及电催化剂导电衬底的引入，从而有效降低成本和提高效率，因而具有极大的应用潜力。

近年来，过渡金属磷化物(如NiP、CoP、Fe-P等)因具有优异的析氢性能和稳定性，被认为是理想的非贵金属析氢材料之一。其中，CoP以其价格低廉、稳定性好、析氢性能高、环境友好及容易制备等特点，受到广大研究者的青睐，被广泛应用于电催化及光电催化领域。例如，Wang等人采用原位电沉积法在碳纳米材料上沉积合成CoP纳米粒子，其塔菲尔斜率为60mV/dec，-10mA/cm²处过电势为160mV；Zhen Fang等人采用原位热解、磷化方法合成多孔花状CoP/C纳米片，其塔菲尔斜率为128mV/dec，-10mA/cm²处过电势为151mV；除了直接作为电催化剂，CoP还可与半导体材料复合用于光电析氢。例如Thomas F.Jaramillo等人采用蒸镀磷化法在硅衬底上合成的CoP薄膜，利用硅良好的吸光性，研究了其光电催化性能，暗态-10mA/cm²对应的过电势为202mV，塔菲尔斜率为61mV/decade，光照下-10mA/cm2对应电势为+345mV。

尽管上述各种不同纳米结构的CoP(纳米颗粒、纳米薄膜、类花状纳米片等)均显示出良好的析氢性能，但将其与硅基底结合，利用硅的吸光特性用于光电催化方面的研究还较少。而且，上述CoP的制备方法常常涉及高温蒸镀等工艺，制备工艺相对复杂，且成本较高。因此，寻求一种简单方便且与硅工艺兼容的制备方法，对其与Si结合的光电催化析氢应用非常有必要。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种CoP/Si析氢催化材料及其制备方法，该材料将硅吸光特性和CoP的电催化特性有效结合，显示出了优异的光电催化析氢性能，而且制备方法简单、可重复性好以及与硅工艺兼容。

本发明一方面提供了一种CoP/Si析氢催化材料，所述CoP为纳米片结构且呈网格状均匀分布在硅片表面，所述CoP层的厚度为3～5μm。

优选的，CoP纳米片为正方晶系结构，厚度为20～50nm。

本发明另一方面提供了上述CoP/Si析氢催化材料的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、硅片表面预处理；