[发明专利]一种氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料及其制备方法，包括以下步骤：将方形硅片放入盛有所述电化学腐蚀液的容器中，施加恒定的电流进行电化学腐蚀，得到多孔硅；将所述多孔硅放入种子层溶液中，利用真空抽滤结合溶胶凝胶法，烘干，退火后在多孔硅孔壁制备氧化锌种子层，得到多孔硅‑氧化锌种子层；将所述多孔硅‑氧化锌种子层垂直放入所述氧化锌纳米线生长溶液中，油浴反应得到氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料。本发明在多孔硅孔内制备氧化锌纳米线，实现氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料的快速制备，该方法步骤简单，能够高效的制备氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料，该方法操作简单，成本低廉，大大提高了氧化锌的光学性能。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着工业化进程的快速推进，环境污染成为日益严峻的问题。在许多工业活动，如纺织、纸浆、染料和漂白工业，常因缺乏适当的后处理工艺，致使各种难降解有机污染物污染自然水体，进而破坏环境的可持续性，并对人类和生态系统造成高毒性损害。传统的环境净化手段，例如：吸附、过滤分离、氧化等，不仅存在成本高、效率低和二次污染的缺点，还对许多污染物降解无效。光催化环境净化技术是先进氧化技术之一，其实质是在光诱导下的通过光催化剂对有机污染物、细菌或病毒进行氧化分解成二氧化碳和水等无毒有机产物的先进技术。氧化锌是一种禁带宽度为3.2eV的半导体材料，在紫外光激发下的产生电子、空穴分别与氧气分子和水分子反应生成超氧自由基和羟基，因而具有强催化氧化性。同时，因其良好的生物相容性和低成本的特点，而作为一种常用的光催化材料。随着纳米工程技术的发展，与传统氧化锌相比，纳米氧化锌粒径小，比表面积大，表面能高使其更易与有机物相结合，因此在光催化领域的应用上具有更大的潜力。

光催化效率是考核光催化剂性能的关键指标之一，然而，氧化锌材料因其在可见光波段响应差和光生载流子快速复合等缺陷，而抑制其光催化效率的进一步提高。基于半导体的异质结构被认为是克服这些问题的有效原型。由两种或多种半导体材料组成的基于半导体的异质结构具有各种优点，包括宽的光吸收光谱范围、利用单个材料的强度、优化光生电荷分离或复合、增强新的光物理效应、提高光催化活性、对光腐蚀的良好稳定性等。因此，氧化锌可以与另一种具有适当带隙的半导体耦合，以克服光生电荷载流子的复合问题。目前，已经通过与过渡金属或非金属离子掺杂，沉积贵金属或纳米碳材料以及与其他半导体耦合等方式来进一步扩宽氧化锌的光吸收波段。晶硅材料是是一种可见光范围响应的半导体材料，可在300nm至1100nm波段范围内获得的高吸收系数。因此，通过将氧化锌与晶硅材料复合，将有助于氧化锌材料在宽光谱区获得光催化氧化效果。

多孔硅是一种基于纳米硅原子簇形成的多孔骨架结构，按孔径大小可分为微孔、介孔和宏孔多孔硅。宏孔多孔硅具有微米级别的孔洞，具有大的比表面积，可为纳米氧化锌的附着生长提供更大的空间。然而，目前围绕纳米氧化锌与硅材料复合结构中多以硅片为基底，在少有的以多孔硅为基底的氧化锌纳米结构中，其氧化锌纳米结构均生长在多孔硅的表面，对多孔硅孔内生长的ZnO纳米棒还没有报道。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料及其制备方法，在多孔硅孔内制备氧化锌纳米线，实现氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料的快速制备，该方法步骤简单，能够高效的制备氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料，该方法操作简单，成本低廉，大大提高了氧化锌的光学性能。

本发明利用多孔硅为基底，将其与氧化锌材料相结合，该结构能够明显提高多孔硅的光吸收能力。本发明利用电化学阳刻蚀的方法在单晶硅衬底上制备出多孔硅微结构；制备出制备氧化锌种子层的锌离子溶胶；利用真空抽滤法和溶胶-凝胶法相结合的方式在多孔硅上制备氧化锌种子层；利用油浴法在制备完种子层的多孔硅上生长氧化锌纳米线。该方法操作简单，安全性高，成本低廉，大大提高了氧化锌的光学性能，拓宽了其在光学领域的应用前景。本发明填补了在多孔硅孔内制备氧化锌纳米线的技术空缺。

本发明的技术方案是：一种氧化锌纳米线填充的多孔硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：