一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂及制备方法。所述掺杂碳化硅薄膜催化剂由以下步骤制得：a、将片状单晶硅置于CVD气相沉积炉中，真空下采用氩等离子体、碳源和P型掺杂源进行表面处理；b、将气源切换为氢等离子体进行表面处理；c、通入碳源、硅源和氮源进行外延生长后去除硅基底即得pn结结构型掺杂碳化硅薄膜催化剂。所述方法具有以下有益效果：本发明专利技术将硅与碳化硅复合，并形成同质pn结，显著提高了催化剂的可见光吸收率，降低了析氢电位，并可有效抑制电子和空穴对的复合，延长载流子的寿命，提高光催化活性，提升制氢效率，同时工艺简单，适宜于大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂及制备方法
本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及催化剂的制备，尤其是涉及一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂及制备方法。
技术介绍
随着人口和经济的迅速增长，世界能源的消耗成倍增长，加速了化石燃料的枯竭，因而寻找新能源代替化石燃料已刻不容缓。在新能源领域中，氢能已普遍被认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源，这是因为氢燃烧，水是它的唯一产物。氢是自然界中最丰富的元素，它广泛地存在于水、矿物燃料和各类碳水化合物中。已成为当今社会广泛应用的燃料电池的重要原料。目前制氢的方法很多，传统的制氢方法，需要消耗巨大的常规能源，使氢能身价太高，大大限制了氢能的推广应用。光催化制氢由于其环保、节能的优点成为下一代制氢手段的主要关注对象。但由于其催化效率低，催化剂活性差等特点暂未在工业应用中普及。光催化制氢的核心在于吸收光辐射能量后产生电子，用以参加水分解反应。因而光催化制氢催化剂成为关键因素。在常用的半导体磁化集中，碳化硅由于其高载流子迁移率和稳定性，可以作为光解水制氢的催化剂，近年来发展应用受到广泛关注。专利申请号201510198878.5公开了一种用于硼氢化钠水解制氢的催化剂的载体的制备包括：（1）纳米碳化硅粉体中添加造孔剂、粘结剂，挤出成型为颗粒状；（2）将颗粒状碳化硅在惰性气氛中1350~1600℃焙烧，再在马弗炉中600~800℃处理除去造孔剂；及（3）将步骤（2）得到颗粒状多孔碳化硅用以下一种作表面处理：空气中煅烧，硝酸中加热回流，或水热处理，得到硼氢化钠制氢催化剂的碳化硅载体。专利申请号201710137549.9公开了一种纳米碳化硅负载的镍基催化剂及其制备方法，此专利技术使用纳米碳化硅、乙酰丙酮铜、1-十六烷硫醇、镍离子、氨水、硫酸铈作为原料制备催化剂，其制备方法简单，反应条件温和，易规模化生产；反应过程中，首先乙酰丙酮铜与1-十六烷硫醇反应生成硫化亚铜与纳米碳化硅复合，生成纳米碳化硅/硫化亚铜复合物，再将氢氧化镍沉积于复合物表面，最后负载少量助剂铈。专利申请号201410115677.X公开了一种碳化硅/纳米碳复合可见光光催化剂的制备方法。具体为将适当过量纳米碳材料与一定量的硅基粉末混合，然后在氩气气氛下升温至一定温度，在此温度下保持一段时间，在整个过程中高纯氩气（纯度为99.99%，氧含量为10ppm）始终通入反应体系中。反应停止后，所得粉末用HF-HNO3混合溶液处理几次，并在100℃下干燥一段时间，即可制得碳化硅/纳米碳复合可见光光催化剂。专利申请号201711283942.5公开了一种碳化硅疏水催化剂及制备方法，该疏水催化剂是通过浸渍的方法将聚四氟乙烯乳液涂覆到多孔碳化硅载体表面上，然后将氯铂酸乙醇溶液或其它金属盐溶液浸渍处理疏水性碳化硅载体，得到负载一定活性金属含量的疏水催化剂前驱体，最后将疏水催化剂前驱体置于等离子体放电装置的电极上或放电管中，通入等比例的氢气和氩气混合气，控制放电时间和电源功率，对前驱体进行等离子体放电还原处理，最后得到具有超细活性金属、金属粒子分散均匀和高稳定性的疏水催化活性新材料。由此可见，现有技术中用于光催化制氢的碳化硅等半导体光催化剂，由于其析氢电位较高、对可见光吸收率较低，并且工艺复杂，难以大规模生产，限制了其在光催化制氢领域的使用，因此针对碳化硅基催化剂的改进具有十分重要的实际意义。
技术实现思路
为有效解决上述技术问题，本专利技术提出了一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂及制备方法，可有效提高催化剂的光催化活性，进而提升制氢效率。本专利技术的具体技术方案如下：一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂的制备方法，所述掺杂碳化硅薄膜催化剂是由片状单晶硅基底在CVD气相沉积炉中，先与碳源和P型掺杂源反应进行P型掺杂，然后通入碳源、硅源和氮源进行N型外延生长而制得，具体的制备步骤为：a、使用片状单晶硅作为基底，置于CVD气相沉积炉中，在真空条件下，使用氩等离子体、碳源和P型掺杂源进行表面处理；b、将气源切换为氢等离子体，继续进行表面处理；c、通入碳源、硅源和氮源进行外延生长，生长完成后去除硅基底，制得pn结结构型掺杂碳化硅薄膜催化剂。优选的，所述步骤a中，真空度为0.1~2kPa。优选的，所述步骤a中，碳源为CH4、C2H6、C3H8、CCl4的一种或几种。优选的，所述步骤a中，P型掺杂源为B2H6、三甲基铝的一种。优选的，所述步骤a中，表面处理的时间为2h。优选的，所述步骤b中，表面处理的时间为15min。优选的，所述步骤c中，硅源为SiH4、SiHCl3、SiCl4的一种或几种。优选的，所述步骤c中，氮源为N2、NH3、蒸汽态三聚氰胺的一种或几种。优选的，所述步骤c中，碳源40~50重量份、硅源20~30重量份、氮源20~40重量份。光催化制氢的核心在于吸收光辐射能量后产生电子，用以参加水分解反应。碳化硅由于其高载流子迁移率和稳定性，可以作为光解水制氢的催化剂，但由于其析氢电位较高、对可见光吸收率较低，限制了其在光催化制氢领域的使用。本专利技术创造性地通过氩等离子体的强分散性使单晶硅片表层与碳源和P型掺杂源反应，获得P型掺杂硅/碳化硅复合层，然后采用氢等离子体刻蚀掉表层形成的石墨相等杂相，通过外延生长N型氮掺杂碳化硅薄膜形成具有pn结结构的碳化硅薄膜。由于硅禁带宽度较窄，通过与宽禁带的碳化硅复合，提高其可见光吸收率的同时，降低其析氢电位。由于不同掺杂形成同质pn结，可以抑制电子和空穴对的复合，延长载流子的寿命，从而提高其光催化活性。本专利技术上述内容还提出一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂，由以下步骤制得：a、将片状单晶硅置于CVD气相沉积炉中，真空下采用氩等离子体、碳源和P型掺杂源进行表面处理；b、将气源切换为氢等离子体进行表面处理；c、通入碳源、硅源和氮源进行外延生长后去除硅基底即得pn结结构型掺杂硅/碳化硅薄膜催化剂。本专利技术的有益效果为：1.提出了通过形成具有pn结结构的碳化硅薄膜制备燃料电池用氢的掺杂碳化硅薄膜催化剂的方法。2.本专利技术禁带宽度较窄的硅与宽禁带的碳化硅复合，提高了复合材料的可见光吸收率，并有效降低了析氢电位，提高了析氢能力。3.本专利技术通过形成同质pn结，可以抑制光催化剂反应中电子和空穴对的复合，进而延长载流子的寿命，提高光催化活性，提升制氢效率。4.本专利技术本专利技术制备的催化剂催化活性高，同时工艺简单，适宜于大规模工业化生产。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但不应将此理解为本专利技术的范围仅限于以下的实例。在不脱离本专利技术上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本专利技术的范围内。实施例1a、使用片状单晶硅作为基底，置于CVD气相沉积炉中，在真空条件下，使用氩等离子体、碳源和P型掺杂源进行表面处理；b、将气源切换为氢等离子体，继续进行表面处理；c、通入碳源、硅源和氮源进行外延生长，生长完成后去除硅基底，制得pn结结构型掺杂碳化硅薄膜催化剂。步骤a中，真空度为0.1kPa。碳源为CH4。P型掺杂源为B2H6。表面处理的时间为2h。步骤b中，表面处理的时间为15min。步骤c中，硅源为SiCl4。氮源为N2。碳源50重量份、硅源20重量份、氮源30重量份。实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于：所述掺杂碳化硅薄膜催化剂是由片状单晶硅基底在CVD气相沉积炉中，先与碳源和P型掺杂源反应进行P型掺杂，然后通入碳源、硅源和氮源进行N型外延生长而制得，具体的制备步骤为：a、使用片状单晶硅作为基底，置于CVD气相沉积炉中，在真空条件下，使用氩等离子体、碳源和P型掺杂源进行表面处理；b、将气源切换为氢等离子体，继续进行表面处理；c、通入碳源、硅源和氮源进行外延生长，生长完成后去除硅基底，制得pn结结构型掺杂碳化硅薄膜催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于：所述掺杂碳化硅薄膜催化剂是由片状单晶硅基底在CVD气相沉积炉中，先与碳源和P型掺杂源反应进行P型掺杂，然后通入碳源、硅源和氮源进行N型外延生长而制得，具体的制备步骤为：a、使用片状单晶硅作为基底，置于CVD气相沉积炉中，在真空条件下，使用氩等离子体、碳源和P型掺杂源进行表面处理；b、将气源切换为氢等离子体，继续进行表面处理；c、通入碳源、硅源和氮源进行外延生长，生长完成后去除硅基底，制得pn结结构型掺杂碳化硅薄膜催化剂。2.根据权利要求1所述一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，真空度为0.1~2kPa。3.根据权利要求1所述一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，碳源为CH4、C2H6、C3H8、CCl4的一种或几种。4.根据权利要求1所述一种用于制备燃料电池用氢的薄膜催化剂的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51