一种4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种4H‑SiC一体化自支撑光阳极的制备方法及应用，属于光电催化技术领域。本发明专利技术4H‑SiC一体化自支撑光阳极的制备方法包括如下步骤：S1、清洗4H‑SiC单晶片；S2、以清洗后的4H‑SiC单晶片作为阳极，石墨片作为阴极，在刻蚀液中进行阳极氧化刻蚀，所述阳极氧化刻蚀依次包括去帽层刻蚀和连续周期刻蚀，制得光阳极半成品；S3、对光阳极半成品进行清洗、干燥，即制得4H‑SiC一体化自支撑光阳极。本发明专利技术的自支撑光阳极具有极低的光解水起始电位和较高的水分解光电流密度。

Preparation and application of a 4H SiC integrated self-supporting photoanode

【技术实现步骤摘要】
一种4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法及应用
本专利技术属于光电催化
，涉及一种4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法及应用。
技术介绍
能源的日益枯竭及由此带来的温室效应与极端气候已经成为21世纪乃至未来威胁人类生存与可持续发展的严峻问题，而寻找可代替传统高污染不可再生能源的清洁能源的探索是其中尤为重要的解决方案，纳米材料用作清洁能源催化剂及载体的研究工作方兴未艾。自1991年日本Iijima教授发现纳米碳管以来，纳米材料的制备科学及其器件应用一直是纳米科技中的研究重点和热点，是研究材料的电学、热学和力学性能与维度和量子限制效应相关性的一种有效系统，为新颖高效、节能环保的光电器件的研发，开启了一扇新的大门。光电化学分解水产生氧气与氢气作为绿色清洁能源自提出以来就引起极大的关注。二氧化钛作为光催化剂材料的光化学反应早在20世纪50年代就为人们所熟知，但直到1972年Nature报道了将其作为水的光分解催化剂的本多-藤岛效应才引起众多科学家的关注。作为备受关注的第三代半导体，纳米碳化硅材料具有诸多优异特性，如具有宽带隙、良好的化学稳定性与热稳定性。同时，SiC纳米材料还具有很高的硬度、韧性、耐磨性和低的热膨胀系数等优良特性。基于SiC纳米结构的优异物化特性，Nariki等人在1990年报道了SiC超细粉体作为可见光响应型光电催化剂的催化特性，通过紫外光的照射进行光催化电解水，由此第三代半导体材料SiC在光催化领域的研究正式展开。然而，尽管已有一些工作致力于SiC纳米结构光电催化剂的研究并取得不错的进展，当前这一领域在材料制备科学上依然存在以下几个基础性的问题亟待研究和解决：其一，SiC纳米阵列结构的制备面临高温和特殊气氛等苛刻的生长工艺条件；其二，用于光电催化研究的光阳极材料大都是粉体或块体，少有自支撑光阳极的研究；其三，光阳极的制备大都是由催化剂附着在集流体上，其接触界面对载流子传输的损耗难以忽略，一体化电极鲜有报道；其四，光阳极分解水起始电位偏高阻碍光解水催化效率的进一步提升。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种具有优异光电催化性能的4H-SiC一体化自支撑光阳极。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：S1、清洗4H-SiC单晶片；S2、以清洗后的4H-SiC单晶片作为阳极，石墨片作为阴极，在刻蚀液中进行阳极氧化刻蚀，所述阳极氧化刻蚀依次包括去帽层刻蚀和连续周期刻蚀，制得光阳极半成品；S3、对光阳极半成品进行清洗、干燥，即制得4H-SiC一体化自支撑光阳极。作为优选，步骤S1所述清洗4H-SiC单晶片为依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对4H-SiC单晶片分别超声清洗15～25min。作为优选，步骤S2所述阳极氧化刻蚀以直流电源分析仪作为电化学刻蚀电源。作为优选，步骤S2所述去帽层刻蚀依次包括脉冲刻蚀阶段和恒压剥离阶段，所述脉冲刻蚀阶段施加周期为0.7～0.9s、停留时间为0.3～0.5s、电压为19～21V的脉冲电压，持续时间0.8～0.9min，所述恒压剥离阶段施加28～32V的恒压，持续时间0.1～0.2min。作为优选，步骤S2所述连续周期刻蚀施加周期为0.7～0.9s、停留时间为0.3～0.5s、电压为18～20V的脉冲电压，持续时间4～13min。作为优选，步骤S2所述刻蚀液为体积比(5～7):(5～7):1的C2H5OH、HF和H2O2的混合液。作为优选，步骤S3所述对光阳极半成品进行清洗为分别采用无水乙醇和去离子水对光阳极半成品清洗。作为优选，步骤S3所述干燥为在50～70℃恒温干燥3～7min。本专利技术的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备的4H-SiC一体化自支撑光阳极，所述4H-SiC一体化自支撑光阳极具有均匀的4H-SiC单晶高定向纳米孔穴阵列，孔径为20～70nm，深度为13～25μm。本专利技术的再一目的在于提供4H-SiC一体化自支撑光阳极在光电催化中的应用。本专利技术采用在常温常压下、以4H-SiC单晶片为基体、通过化学刻蚀的方法制得SiC纳米阵列一体化自支撑光阳极，通过对电源分析仪参数可控调节实现对4H-SiC刻蚀层的维度、形貌、尺寸、晶体生长方向及密度等的可控制备，制备条件十分温和，4H-SiC单晶片的单晶结构得到较好的保留，使用直流电源分析仪自上而下的制备方法也有效保留了其原始的单晶片形态，4H-SiC单晶高定向纳米阵列有利于电子-空穴对定向传输，不仅可以发挥单晶结构的优势，同时也发挥了4H-SiC高的电子-空穴传输速率，有效减少电子空穴在传输过程中的损失以及复合，进而有效提高4H-SiC一体化自支撑光阳极的光电催化效率，使制得的4H-SiC一体化自支撑光阳极能够在较低的起始电位下表现出较高的光电催化活性，为解决人类所面临的严峻的能源及环境问题提供了可能与支持。SiC纳米阵列在阳极氧化刻蚀过程初期会产生非纳米孔穴结构层，相当于一个帽子盖在表层，因此称其为“帽层”，需将帽层剥除掉才能使后面的连续周期性刻蚀的纳米孔穴阵列结构裸露出来，以更好地发挥纳米孔穴阵列结构的作用。本专利技术进行帽层剥离时，在脉冲电压刻蚀后需采用较高的恒压处理，以提高刻蚀速度从而能够方便剥离帽层，恒压处理时电压过低无法剥离帽层。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术制备的4H-SiC光阳极为一体化电极，具有自支撑性能，且具有极低的光解水起始电位和较高的水分解光电流密度，有望在光解水催化反应中成为优异的光电极候选材料。说明书附图图1为本专利技术实施例一中制得的4H-SiC一体化自支撑光阳极的数码照片；图2为本专利技术实施例一中制得的4H-SiC光阳极的表面扫描电镜(SEM)图；图3为本专利技术实施例一中制得的4H-SiC光阳极的横截面扫描电镜(SEM)图；图4为本专利技术实施例一中制得的4H-SiC光阳极的X射线粉末衍射(XRD)图；图5为本专利技术实施例一中制得的4H-SiC光阳极的线性伏安扫描曲线(LSV)图；图6为本专利技术实施例二中制得的4H-SiC光阳极的表面扫描电镜(SEM)图；图7为本专利技术实施例二中制得的4H-SiC光阳极的横截面扫描电镜(SEM)图；图8为本专利技术实施例二中制得的4H-SiC光阳极的线性伏安扫描曲线(LSV)图；图9为本专利技术实施例三中制得的4H-SiC光阳极的表面扫描电镜(SEM)图；图10为本专利技术实施例三中制得的4H-SiC光阳极的横截面扫描电镜(SEM)图；图11为本专利技术实施例三中制得的4H-SiC光阳极的线性伏安扫描曲线(LSV)图；图12为本专利技术实施例四中制得的4H-SiC光阳极的表面扫描电镜(SEM)图；图13为本专利技术实施例四中制得的4H-SiC光阳极的横截面扫描电镜(SEM)图；图14为本专利技术实施例四中制得的4H-SiC光阳极的线性伏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：/nS1、清洗4H-SiC单晶片；/nS2、以清洗后的4H-SiC单晶片作为阳极，石墨片作为阴极，在刻蚀液中进行阳极氧化刻蚀，所述阳极氧化刻蚀依次包括去帽层刻蚀和连续周期刻蚀，制得光阳极半成品；/nS3、对光阳极半成品进行清洗、干燥，即制得4H-SiC一体化自支撑光阳极。/n

【技术特征摘要】
1.一种4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1、清洗4H-SiC单晶片；
S2、以清洗后的4H-SiC单晶片作为阳极，石墨片作为阴极，在刻蚀液中进行阳极氧化刻蚀，所述阳极氧化刻蚀依次包括去帽层刻蚀和连续周期刻蚀，制得光阳极半成品；
S3、对光阳极半成品进行清洗、干燥，即制得4H-SiC一体化自支撑光阳极。


2.根据权利要求1所述的4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法，其特征在于，步骤S1所述清洗4H-SiC单晶片为依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对4H-SiC单晶片分别超声清洗15～25min。


3.根据权利要求1所述的4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法，其特征在于，步骤S2所述阳极氧化刻蚀以直流电源分析仪作为电化学刻蚀电源。


4.根据权利要求1所述的4H-SiC一体化自支撑光阳极的制备方法，其特征在于，步骤S2所述去帽层刻蚀依次包括脉冲刻蚀阶段和恒压剥离阶段，所述脉冲刻蚀阶段施加周期为0.7～0.9s、停留时间为0.3～0.5s、电压为19～21V的脉冲电压，持续时间0.8～0.9min，所述恒压剥离阶段施加28～32V的恒压，持续时间0.1～0.2min。

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【专利技术属性】
技术研发人员：陈善亮，徐尚，王霖，高凤梅，杨为佑，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33