[发明专利]一种基于层级组装的硅‑二氧化钛‑聚吡咯三维仿生复合材料及应用

权利要求书

1.一种基于层级组装的硅-二氧化钛-聚吡咯三维仿生复合材料，其特征在于：以单晶硅(Si)、二氧化钛(TiO₂)和聚吡咯(PPY)有序层级组成(Si/TiO₂/PPY)，Si是表面具有锥形微结构的100型单晶硅，为P型半导体，硅锥结构形状为四方锥，高度为4～10μm，紧密排列；TiO₂是金红石相的TiO₂纳米棒，为N型半导体，四棱柱形状，高度为500～4000nm，直径为40～250nm，有序垂直生长在硅锥的侧壁上；PPY是聚吡咯纳米粒子，为P型半导体，粒径为10～60nm，均匀生长在TiO₂纳米棒表面；Si/TiO₂/PPY三维仿生复合材料中的Si与TiO₂界面、TiO₂与PPY界面形成双P/N异质结，可以高效分离光生电荷，同时具有三维的仿生复合结构，可以有效降低入射光在表面的反射率。

2.一种制备如权利要求1所述一种基于层级组装的硅-二氧化钛-聚吡咯三维仿生复合材料的方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)首先用一定浓度的碱液，在搅拌的条件下，对硅片进行各向异性刻蚀，在硅片表面形成紧密排列的四方锥形貌；

(2)然后将步骤(1)刻蚀后的硅片进行亲水处理，在其表面生长TiO₂晶种，并置于马弗炉内煅烧一段时间后自然冷却；

(3)再将步骤(2)中所得到的表面具有TiO₂晶种的硅片置于反应釜中，采用水热合成的方法在硅锥的侧壁上生长TiO₂纳米棒；

(4)最后在步骤(3)中得到的TiO₂纳米棒上沉积导电PPY纳米粒子，得到三维仿生Si/TiO₂/PPY。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的碱液为氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、氢氧化钠、氨水、EDP(乙二胺、邻苯二酚和水的混合溶液)，碱液的pH＝12～14，刻蚀温度50～90℃，刻蚀时间5～60min，搅拌的方式为机械搅拌或磁力搅拌。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的亲水处理操作为将步骤(1)得到的硅片置于NH₃H₂O、H₂O₂和H₂O的混合溶液中，体积比为1:1:5，温度为90℃，加热时间30min。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的生长TiO₂晶种条件为将亲水处理后的硅片浸于浓度为0.05～1mol/L的钛酸四丁酯的异丙醇溶液中进行提拉或旋涂，提拉的速度是1～10mm/s，重复提拉5～30次，旋涂的速度是500～7000转/min，最后将上述样品在450～500℃马弗炉中煅烧约30～60min。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的水热合成条件为80～200℃的温度下，在装有10～20mL去离子水、6～17mL质量分数为37％的浓盐酸和0.5～5mL钛酸四丁酯的反应釜中处理2～19h，然后取出样品用氮气吹干。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的在TiO₂纳米棒上沉积导电PPY纳米粒子，是指利用原位氧化法在TiO₂纳米棒上沉积PPY导电高分子颗粒，反应条件为：将0.01～0.06g的FeCl₃、50～150uL吡咯、5～10mL超纯水置于烧杯中，构成反应溶液；将面积为1.5cm×1.0cm的表面生长有TiO₂纳米棒的硅片置于反应液中，保持室温下搅拌10～60min，得到Si/TiO₂/PPY三维仿生复合材料。