[发明专利]一种具有仿生结构的A/B/Si三元复合硅基光电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有仿生结构的A/B/Si三元复合硅基光电极及其制备方法，属于光电催化领域。本发明的电极材料的结构中，若Si为p型半导体，则B为n型金属氧化物半导体，A为析氢助催化剂；若Si为n型半导体，则B为p型金属氧化物半导体，A为析氧助催化剂，通过在金字塔衬底的硅片上原位生长金属氧化物半导体和助催化剂即可制备得到，制备方法简单。且本发明的电极的电催化性能较好，电解3h后，电解水制得的H₂的密度可达23μmol·cm^‑2，且其电流能够稳定约500h。

技术领域

本发明涉及一种具有仿生结构的A/B/Si三元复合硅基光电极及其制备方法，属于能源材料领域。

背景技术

随着人们对清洁能源的需求越来越大，光电化学(PEC)水分解制备氢气和氧气是实现太阳能转换利用的有效途径，越来越受到人们的重视。PEC水分解的原理是光电极吸收入射光，产生电子与空穴，然后光生电子与空穴在内建场的作用下分离，迁移到电极和对电极表面，分别引发水的氧化与还原反应。光电催化水分解主要包括三个过程：光吸收、光生载流子分离与转移及表面反应。如何设计这些过程对于实现高效的PEC是非常重要的。

人们一般从PEC水分解过程的三个步骤去实现高效的太阳能制氢：半导体光电极的光吸收、光生载流子的分离和迁移、表面反应。至此，各种各样的宽带隙半导体体(如SnO₂、ZnO和WO₃)被合成和研究，但是宽带隙的半导体只能吸收紫外光，这使得他们的太阳能转化效率受到了很大的影响。为了解决这个问题，人们已经做出了很多的努力来寻求合适的方法，如掺杂改性、等离子共振、窄带半导体复合等。其中，复合改性策略在与窄带隙的半导体(如Si)进行复合时，可拓宽其光谱吸收范围，同时两种半导体复合时能够形成异质结，在合适的异质结构体系中，异质结的存在改变了界面处的能带位置及其倾斜度，从而加速了光生电荷载流子通过异质结的迁移，提高了PEC性能。然而，复合半导体通常遭受材料析氢反应的缓慢动力学的限制。引入析氢反应(HER)助催化剂被认为是一种提高PEC性能很有前景的方法。过渡金属硫化物(NiS、WS和MoS₂)是一种可望替代贵金属(Pt，Pd等)的高效HER催化剂，特别是MoS₂作为一种二维(2d)层状材料，具有高的比表面积，并且其外露边缘的不饱和S原子可以作为活性中心，在溶液中对H离子具有很强的亲和力，因此具有较好的光催化析氢性能。

事实上，光电极PEC性能不仅受材料本征性质的影响，还受电极表面的微结构的影响。因为正常平面光电极的光捕获能力比较差。据报道，与平面光电极相比，具有分级结构的光电极通过有效折射率变化和最小化光反射能够增加光吸收，同时产生大的半导体/电解液接触面积，具有更多的表面活性中心，加速表面反应。

因此，非常希望构建具有仿生分级结构的A/B/Si三元复合硅基光电极以实现高水分解性能。

发明内容

本发明设计了一种具有仿生分级结构的A/B/Si三元复合硅基光电极，构建一种由上到下的材料和结构双重有序变化体系，协同实现增强光吸收、降低载流子复合及改善光电转化效。

首先，本发明提供了一种具有仿生分级结构的A/B/Si三元复合硅基光电极，若Si为p型半导体，则B为n型金属氧化物半导体，A为析氢助催化剂；若Si为n型半导体，则B为p型金属氧化物半导体，A为析氧助催化剂。

在本发明的一种实施方式中，所述Si基底的表面结构为金字塔结构，金字塔结构的底部的大小为3～8μm；B为纳米棒阵列，其直径为100～300nm，长度为200～1000nm；A为纳米片或纳米粒子，当为纳米粒子时，其直径在20～100nm，当为纳米片时，其纳米片的厚度为20～100nm。