[实用新型]一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱

说明书

本实用新型公开了一种二维MXene功能化的InxGa1‑xN纳米柱。该二维MXene功能化的In_xGa_1‑xN纳米柱包括衬底、衬底上的MXene层、生长在MXene层上的In_xGa_1‑xN纳米柱；其中0≤x≤1。本实用新型采用二维MXene作为衬底与In_xGa_1‑xN纳米柱之间的功能层，不仅拓宽了衬底的选择范围，降低了成本；还有效降低了衬底与纳米柱之间的界面阻抗，有利于增强载流子输运性能，大幅度提高纳米柱的光电性能；同时避免了纳米柱在衬底上容易被刻蚀的缺点，提高其光电稳定性。总之，二维MXene功能化的In_xGa_1‑xN纳米柱在光电解水制氢、光电探测器、太阳能电池中具有重要应用前景。

技术领域

本实用新型涉及In_xGa_1-xN纳米柱、能源与催化领域，特别涉及一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱。

背景技术

光电化学(Photoelectrochemical，PEC)分解水制氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能，是解决目前的能源危机最为有前景的手段之一。

近年来，三元化合物半导体In_xGa_1-xN纳米柱在PEC分解水中具有重要的应用前景，主要由于In_xGa_1-xN带隙从0.68eV到3.4eV可调，可实现宽光谱范围内的光电解水；另外In_xGa_1-xN电子迁移率大，导电性强，能有效降低光解水的成本；其次，In_xGa_1-xN纳米柱自身比表面积大，能增强光吸收，能提供更多的反应活性位点。然而，In_xGa_1-xN纳米柱生长主要基于蓝宝石、单晶Si衬底。而它们往往存在着电阻率较大(蓝宝石10¹⁴Ω·cm，掺杂Si～10Ω·cm)、成本高等问题。另外比如单晶Si作为衬底时，生长的In_xGa_1-xN纳米柱与Si衬底之间会形成SiN_x绝缘层。该绝缘层不仅会增大载流子输运电阻；同时当In_xGa_1-xN纳米柱电极在电解质中进行光电解水，该绝缘层容易被刻蚀掉，使得In_xGa_1-xN纳米柱会发生严重的光腐蚀，造成光电性能显著降低。目前，主要采用功函数较大的金属层来降低界面阻抗，然而该金属层往往会带来表面态，引起载流子的复合[Ebaid M,Min J W,Zhao C,et al.Watersplitting to hydrogen over epitaxially grown InGaN nanowires on a metallictitanium/silicon template:reduced interfacial transfer resistance andimproved stability to hydrogen[J].Journal of Materials Chemistry A,2018,6(16):6922-6930.]。因此寻找一种能降低衬底界面电阻、提高 In_xGa_1-xN纳米柱光电极光电性能稳定性，对In_xGa_1-xN纳米柱光电解水制氢意义重大。

自2011年首次发现了MXene(Ti₃C₂)材料，MXene作为一种新型过渡金属碳化物或氮化物被广泛应用在能源存储、转换等多个领域。MXene化学式为 M_n+1X_nT,(n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素，T为-OH、-F、-O 等活性官能团)。该材料主要通过酸性刻蚀层状陶瓷材料MAX相获得，具有优异的电化学与化学反应性。同时，该材料为二维晶体结构，表面富含活性官能团，是实现新结构、高性能纳米催化剂的优良载体。