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一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料及应用制造技术

技术编号:15056278 阅读:29 留言:0更新日期:2017-04-06 02:15
本发明专利技术涉及一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料,依以下方法制备:(1)首先对硅片进行亲水处理,在其表面生长二氧化钛晶种,并置于马弗炉内煅烧;(2)然后将步骤(1)中所得到的表面附有二氧化钛晶种的硅片置于反应釜中,采用水热合成的方法在硅片表面诱导生长二氧化钛纳米棒;(3)最后在步骤(2)中得到的二氧化钛纳米棒上沉积聚吡咯纳米粒子,得到以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结层级复合材料。本发明专利技术所涉及的以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结层级复合材料具有优异的降低材料表面光反射和高效分离光生电荷的能力,可以应用到光催化、光电转化器件和太阳能电池等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料即硅-二氧化钛-聚吡咯复合材料,同时此类复合物可以用于光电转化和光催化材料,属于光电材料

技术介绍
目前,无机半导体光催化剂如TiO2、ZnO、MnO2、V2O5、Fe3O4,、Ag2O等已广泛应用于可再生能源以及环境处理领域。其中二氧化钛纳米材料由于具有催化活性高、稳定性好、降解速度快、降解条件温和、投资少、能耗低、高羟基自由基产率、光照不腐蚀等优点,在防腐涂料、污水净化、抗菌杀菌等方面表现出尤为突出的应用前景。但是二氧化钛是一种宽禁带半导体,只能吸收太阳光中5%的波长较短的紫外线,导致二氧化钛在太阳光下的光催化能力较弱。因此,改善二氧化钛在太阳光下的光催化活性已成为该领域研究的热点。导电聚合物聚吡咯具有良好的环境稳定性,在可见光区有很强烈的吸收,是强的供电子体和优良的空穴传输材料,当用聚吡咯对二氧化钛进行表面敏化后,两者之间将会形成异质结,不仅能提高光生电荷的分离效率从而提高光催化效率,而且可将复合材料的光谱响应范围拓宽到可见光区从而提高太阳光的利用率。专利CN101955665A公开了一种聚吡咯颗粒/二氧化钛纳米管列阵的复合材料制备方法;专利CN102350317A公开了一种聚吡咯/二氧化钛复合吸附剂及其制备、应用和再生方法;专利CN102600907A公开了一种聚吡咯敏化的中空状二氧化钛纳米光催化剂及其制备方法;以上一定程度解决了二氧化钛禁带宽度大、光谱响应范围小,光生电子-空穴对易复合等问题。然而,聚吡咯/二氧化钛复合物仍然存在着有序性较差、易团聚、回收利用率较低,光吸收率不高等问题,限制了聚吡咯/二氧化钛复合物的推广应用。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服传统的二氧化钛/聚吡咯复合物无序、易团聚、难回收和光电转化效率低等缺点,提供了一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料,同时具有良好的消反射性能和高效分离光生电荷能力,提高了材料的光电转化效率,表现出优异的光催化能力。按照本专利技术提供的技术方案,所述以一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料,是以硅(Si)、二氧化钛(TiO2)和聚吡咯(PPy)层级有序组成,即Si/TiO2/PPy层级复合材料,Si是P(100)型单晶硅;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,有序垂直生长在单晶硅表面;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层级复合材料中的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,同时具有仿生昆虫复眼结构,可以有效降低入射光在表面的反射率。所制备的一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料的制备方法,其特征是,包括以下步骤:(1)首先对硅片进行亲水处理,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;(2)然后将步骤(1)中所得到的表面附有TiO2晶种的硅片置于反应釜中,采用水热合成的方法在硅片表面诱导生长TiO2纳米棒;(3)最后在步骤(2)中得到的TiO2纳米棒上沉积PPy纳米粒子,得到Si/TiO2/PPy层级复合材料。进一步的,步骤(1)所述的亲水处理操作为将硅片置于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。进一步的,步骤(1)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,提拉的速度是1~10mm/s,重复提拉5~30次,旋涂的速度为500~7000转/min,最后将上述样品在450~500℃马弗炉中煅烧约30~60min。进一步的,步骤(2)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浓盐酸(质量分数37%)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。进一步的,步骤(3)所述的在TiO2纳米棒上沉积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层级复合材料。进一步的,Si/TiO2/PPy层级复合材料用作光催化降解有机污染物的应用,将1.5cm×1.0cm面积的Si/TiO2/PPy层级复合材料放置于5mL的亚甲基蓝溶液,浓度为1.0×10-5mol/L,然后将其置于暗处1h让其达到吸附-解吸平衡,之后用光源对溶液进行光照,对亚甲基蓝进行降解。同时,该种复合材料并不局限于应用在光催化降解有机污染物,也适合于其他光催化领域,及光电转化器件、太阳能电池等领域。本专利技术具有以下优越性:(1)单晶硅表面层级负载TiO2纳米棒、PPy纳米粒子,形成仿生复合结构,具有优异的消反射性能。(2)在P型的单晶硅与N型TiO2纳米棒的接触界面、N型TiO2纳米棒与P型PPy纳米粒子的接触界面形成双P/N异质结结构,有效的分离光生载流子,减小电子-空穴对的复合,具有优异的光电转化效率。(3)该种Si/TiO2/PPy层级复合材料以单晶硅为载体,纳米复合物不易发生团聚,具有高的比表面积,增加了有效催化活性点,回收容易,利于反复使用,在光催化降解污染物方面具有一定的使用价值。(4)该种Si/TiO2/PPy层级复合材料制备方法简便,条件温和易控,对反应设备要求低,满足大规模生产的要求。附图说明图1为制备一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料的工艺示意图;图2为实施例3中单晶硅表面负载TiO2纳米棒的扫描电镜图片;图3为实施例3中单晶硅表面层级负载TiO2纳米棒、PPy纳米粒子的扫描电镜图片。具体实施方式实施例1:步骤一:单晶硅表面生长TiO2晶种将硅片置于NH3H2O、H2O2和H2O的混合溶液中,体积比为1:1:5,温度为80℃,加热时间30min。然后,浸于浓度为0.075mol/L的钛酸四丁本文档来自技高网
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一种<a href="http://www.xjishu.com/zhuanli/CN105642367.html" title="一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料及应用原文来自X技术">以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料及应用</a>

【技术保护点】
一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料,是以硅(Si)、二氧化钛(TiO2)和聚吡咯(PPy)层级有序组成,即Si/TiO2/PPy层级复合材料,Si是P(100)型单晶硅;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,有序垂直生长在单晶硅表面;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层级复合材料中的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,同时具有仿生昆虫复眼结构,可以有效降低入射光在表面的反射率。

【技术特征摘要】
1.一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料,是以硅
(Si)、二氧化钛(TiO2)和聚吡咯(PPy)层级有序组成,即Si/TiO2/PPy层级
复合材料,Si是P(100)型单晶硅;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
单晶硅表面;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层级复合材料中的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,同时具有仿生昆虫复
眼结构,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所述的以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质
结层级复合材料的制备方法,其特征是,包括以下步骤:
(1)首先对硅片进行亲水处理,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;
(2)然后将步骤(1)中所得到的表面附有TiO2晶种的硅片置于反应釜中,
采用水热合成的方法在硅片表面生长TiO2纳米棒;
(3)最后在步骤(2)中得到的TiO2纳米棒上沉积PPy纳米粒子,得到
Si/TiO2/PPy层级复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的亲水
处理操作为将硅片置于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。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的生长
TiO2晶种条件为将亲水处理后的硅片浸于浓度为0...

【专利技术属性】
技术研发人员:石刚李赢王大伟倪才华何飞迟力峰吕男
申请(专利权)人:江南大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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