[发明专利]一种超薄硅纳米片光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种超薄硅纳米片光催化剂及其制备方法与应用，其是以晶体硅粉为前驱体，在超低温液态气体中浸渍预处理后分散至溶剂中，再经超声辅助液相剥离获得超薄硅纳米片悬浮液，悬浮液经离心和冷冻干燥后，即获得厚度为0.3～2.1nm、尺寸为0.1～6.5μm的超薄硅纳米片光催化剂。本发明所得硅纳米片用于可见光光催化制氢时，制氢效率可达5.102mmol·h^‑1·g^‑1，比原晶体硅粉的光催化制氢效率高约93倍。本发明公开的硅纳米片制备方法操作简单、成本低廉，可实现大批量制备，且所得硅纳米片具有优异的可见光光催化制氢性能，为构筑稳定高效的光解水制氢材料提供了新思路。

技术领域

本发明属于纳米半导体光催化领域，具体涉及一种超薄硅纳米片光催化剂的制备方法。

背景技术

21世纪以来，人类面临的能源危机和环境污染问题日益严重，寻找高效清洁的可再生能源是人类社会可持续发展的必由之路。众多新能源中，具有清洁、高效、可储存和运输等诸多优点的氢气，是替代煤炭等传统能源的最理想的绿色能源。因此，光催化制氢作为一种极有前景的制氢方法，受到世界各国的高度重视。在科研人员的努力探索下，已经发现了TiO₂、CdS、ZnO等一系列性能优异的光催化剂材料。但TiO₂、ZnO等宽带隙半导体由于能带宽度较大，在可见光区吸收有限；CdS等窄带隙半导体虽然拥有较高的可见光催化制氢性能，但其稳定性较差，且CdS本身具有毒性，容易对环境造成污染，此外，目前许多光催化剂仍需添加Pt、Ag等贵金属作为助催化剂，进一步增加了光催化剂成本。

硅纳米片作为一种重要的半导体纳米材料，具有带隙窄、载流子迁移率高、比表面积大等诸多优点，是一种极具潜力的光催化剂。由于其带隙窄的优点，硅在可见光区具有较强光吸收与光响应性能；较高的载流子迁移率有助于光生电子和空穴的分离和迁移，使光生电子更容易迁移到材料表面参与光催化反应；大比表面积为光催化反应提供了充足的活性位点，且使硅纳米片更容易与其他材料结合，构筑复合光催化剂。此外，硅还具有储量丰富、环境友好等优点，制备硅纳米片作为光催化剂，有望实现工业化应用。

目前制备硅纳米片的方法有化学气相沉积法、氧化石墨烯模板法、镁热还原法以及硅化物剥离法，但这些方法仍存在许多不足，例如：化学气相沉积法成本高且产量低，不适用于大规模生产；氧化石墨烯模板法和镁热还原法等不仅工艺流程复杂，而且会引入难以完全去除的杂质和结构缺陷，影响硅纳米片的性能；硅化物剥离法需要制备CaSi₂等层状前驱体，将前驱体剥离成片状后还原为硅纳米片，其流程复杂、产量小、所得硅纳米片容易被氧化。

发明内容

为避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种超薄硅纳米片光催化剂及其制备方法与应用，旨在能够快速实现超薄硅纳米片光催化剂的批量制备，且使所得硅纳米片具有优异的可见光光催化制氢性能。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明首先公开了一种超薄硅纳米片光催化剂的制备方法，其特点在于：以晶体硅粉为前驱体，在超低温液态气体中浸渍预处理后分散至溶剂中，再进行超声辅助液相剥离，获得超薄硅纳米片悬浮液；所述超薄硅纳米片悬浮液经离心和冷冻干燥后，即获得超薄硅纳米片光催化剂。具体包括如下步骤：

(1)将晶体硅粉置于超低温液态气体中浸泡2～48h；

(2)取出浸泡后晶体硅粉，待液态气体完全挥发后，再将晶体硅粉分散至溶剂中，在100W-180W功率下超声处理2～10h，超声后样品低速离心30min，取上清液，获得超薄硅纳米片悬浮液；

(3)将所述超薄硅纳米片悬浮液高速离心，取沉淀物用去离子水清洗、冷冻干燥48h，即获得超薄硅纳米片光催化剂。

优选的，所述晶体硅粉的颗粒尺寸在75μm～500μm。

优选的，所述液态气体为液氮、液氧、液氩等超低温液态气体中的一种。