[发明专利]基于单一N掺杂调控4H-SiC纳米结构同时收集机械能和光能用于裂解水的方法

说明书

本发明提供了一种基于单一N掺杂调控4H‑SiC纳米结构同时收集机械能和光能用于裂解水的方法，其步骤包括：以N₂O₅为氮源，在4H‑SiC单晶片上扩散掺杂制得N掺杂浓度为1‑10mol％的N掺杂的4H‑SiC；通过化学刻蚀在N掺杂的4H‑SiC上形成纳米孔阵列制得具有纳米结构的N掺杂4H‑SiC；以具有纳米结构的N掺杂4H‑SiC作光电阳极，铂片作阴极，同时对光电阳极进行光照与施力，利用压电效应和光电催化效应耦合增强原理同时收集机械能和光能裂解水。本发明提供的一种基于单一N掺杂调控4H‑SiC纳米结构同时收集机械能和光能用于裂解水的方法，操作过程简单、设备要求低且分解水能力强。

技术领域

本发明属于无机非金属能源材料技术领域，特别涉及一种基于单一N掺杂调控4H-SiC纳米结构同时收集机械能和光能用于裂解水的方法。

背景技术

能源作为社会发展的基础和支柱，在人类文明进步中占据着重要地位。煤炭、石油等传统化石能源在近百年来作为生产和生活中的主要能源发挥了重要作用，但其燃烧引起的一系列环境问题愈发不容忽视，因此，寻找新型环保的可再生能源迫在眉睫。其中，氢能作为21世纪最具发展潜力的清洁能源受到了越来越广泛的关注。

氢能作为新型的二次能源，具有储量高、质量轻、导热性好、发热值高、燃点高等优异特性，其本身无毒，且利用形式丰富。近年来，光电催化裂解水制氢获得了迅速发展，通过水的裂解获得氢气，氢气经燃烧生成的水可继续用于制氢，充分实现了能源的高效循环利用。在光电催化裂解水的过程中，与阴极发生的析氢反应相比，阳极的产氧反应由于涉及了四个电子和四个质子的耦合转移表现出更慢的反应速率，因此优化光电阳极成为提高电解效率的重要手段。

目前，大量材料被应用于裂解水领域中，但它们存在着一系列不可忽视的问题：(1)TiO₂带隙过大，不能吸收可见光；(2)硫化物、磷化物和某些氧化物的能带位置不适于水的裂解制氢；(3)Cu₂O在裂解水过程中会发生溶解；(4)ZnO在光电催化裂解水过程中会发生光腐蚀。

碳化硅作为第三代半导体，其化学性质稳定、机械强度高，化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，在超级电容器、场发射阴极材料等领域中获得了广泛应用。此外，碳化硅具有较大的禁带宽度，其能带位置理想地跨越了水氧化还原电位，表明光生载流子有足够的能量克服水还原和/或水氧化的能量障碍，完成水裂解制氢的任务，因此在光电催化裂解水制氢领域具有重要地位。但较高的光生载流子复合率使其光能转换效能低下，较大的禁带宽度使其只能对阳光中的紫外光波段进行利用，这些缺点大大限制了对光能的利用率。因此，当前需要通过调控4H-SiC的压电性、导电性和禁带宽度，开发一种操作过程简单、设备要求低且分解水能力强的4H-SiC裂解水的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作过程简单、设备要求低且分解水能力强的基于单一N掺杂调控4H-SiC纳米结构同时收集机械能和光能用于裂解水的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于单一N掺杂调控4H-SiC纳米结构同时收集机械能和光能用于裂解水的方法，包括步骤如下：

以N₂O₅为氮源，在4H-SiC单晶片上扩散掺杂制得N掺杂浓度为1-10mol％的N掺杂的4H-SiC；

通过化学刻蚀在N掺杂的4H-SiC上形成纳米孔阵列制得具有纳米结构的N掺杂4H-SiC；

以具有纳米结构的N掺杂4H-SiC作光电阳极，铂片作阴极，同时对光电阳极进行光照与施力，利用压电效应和光电催化效应耦合增强原理同时收集机械能和光能裂解水。

进一步地，所述4H-SiC单晶片的厚度为280-380μm，面积为4×10mm²-6×10mm²，晶体学取向为0001。