一种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及光电转换与存储领域，具体为一种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法。以金属基体或表面沉积金属涂层的基体为前驱体，将其悬置于含有卤化物的乙二醇和水的混合溶液的上方，密封于反应釜中，放入烘箱中加热处理，待冷却至室温后取出基体，用去离子水清洗并烘干，得到基体支撑的金属氧化物纳米片单晶阵列薄膜；进一步通过在含氮、硫、磷、碳和硼元素之一或两种以上混合的气氛下热处理，得到基体支撑的金属氮化物、硫化物、磷化物、碳化物、硼化物以及不同元素掺杂的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜。从而，为基于金属化合物纳米片单晶阵列薄膜构筑高效光电转化与存储器件提供了丰富的材料储备和简易的制备方法。提供了丰富的材料储备和简易的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及光电转换与存储领域，具体为一种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]二维材料在电子结构方面具有独特的物理化学性质(例如：从间接带隙到直接带隙，从金属到半导体的转变)，还包括光学吸收、载流子传输、分子和离子的吸附等方面的独特型，除此之外，其具有高的比表面积、多的反应活性位点等结构优势。这些特性使得二维材料有望成为太阳能驱动光催化系统的活性组分。为此，除了石墨烯之外，许多二维材料已经被用于构建各种光催化剂和光电极，这些光催化剂和光电极显著提高了太阳能转换效率和/或表现出一些独特的特征。同时垂直排列的纳米片具有较强的集光能力和良好的形貌，为进一步的异质结构制备提供了良好的条件，因此在太阳能转换方面具有较大的应用潜力。同时二维纳米材料具有与石墨烯相似的性质，对可充电锂离子电池而言具有高效率和循环性能，此外由二维结构组装成的三维导电基底在储能和传感器方面也有很大的优势，使得二维材料就有很好的应用价值和商业化价值。然而非原位生长在基底上的二维材料(粉体形式存在的二维材料)也具有不足的地方，一是光生载流子在材料与基底界面和材料与材料晶界处大量复合，二是增加了实验的时间和工艺成本，三是目前合成多数合成纳米片修饰在电极表面作为光电极或作为太阳能电池的电子传输层是随机取向的，不利于光生载流子的传输以及晶界的大量产生导致量子效率的降低(复合严重)，使得材料的光电化学活性大幅降低，直接影响光电转换效率，限制以后的产业化的需要和走向商业化应用。同时粉体形式的二维材料参与光催化反应后难以从水溶液中回收，可能造成二次污染。当前有关二维材料的可控合成制备已广泛研究，而基底支撑的金属化合物纳米片单晶阵列的可控制备仍具挑战性，缺乏批量制备简易方法，因此如何通过一种简单普适性的方法在基体上生长金属氧化物纳米片单晶阵列薄膜应用于光电化学领域和储能以及传感器领域是非常有必要的。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供了一种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，实现在基底上原位生长多种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜材料，为基于金属化合物纳米片单晶阵列薄膜构筑高效光电转化与存储器件提供了丰富的材料储备和简易的制备方法。
[0004]本专利技术的技术方案是：
[0005]一种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，以金属基体或表面沉积金属涂层的基体为前驱体，将其悬置于含有卤化物的乙二醇和水的混合溶液的上方，密封于反应釜中，放入烘箱中加热处理，待冷却至室温后取出基体，用去离子水清洗并烘干，得到基体支撑的金属氧化物纳米片单晶阵列薄膜；或者，进一步通过在含氮、硫、磷、碳和硼元素之一或两种以上混合的气氛热处理，得到基体支撑的金属氮化物、硫化物、磷化物、碳化物、硼化
物以及不同元素掺杂的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜。
[0006]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，前驱体为各种形态的金属或合金基体以及各种表面沉积金属或合金涂层的基体。
[0007]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，含有卤化物的乙二醇和水的混合溶液中，水和乙二醇的质量比例为0～0.5，卤化物的摩尔浓度为1mM～1000mM，卤化物包括各种卤化物盐或氢卤酸，卤化物盐为NaF、KF或NaCl，氢卤酸为HF、HCl或HBr。
[0008]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，烘箱加热处理温度为80～220℃，加热处理时间为0.5h～24h。
[0009]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，含氮、硫、磷、碳和硼元素的气氛为氮气、氨气、氢气、硫化氢、甲烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、磷烷、硼烷气体中的一种或两种以上混合气体。
[0010]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，气氛热处理温度为150～1200℃之间，热处理时间为15min～180h。
[0011]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，单个金属化合物纳米片的厚度是1nm～200nm，单个金属化合物纳米片的长度分布范围是100nm～5μm，宽度分布范围为是100nm～5μm。
[0012]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，金属化合物纳米片单晶阵列薄膜厚度分布范围是20nm～10μm。
[0013]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，金属化合物包括金属氧化物、异质元素掺杂的金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物、金属碳化物、金属磷化物、金属硼化物之一或两种以上复合型化合物。
[0014]所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，通过气氛热处理得到金属氧化物纳米片单晶阵列薄膜后，再生成其它金属化合物过程中，由于密度的差异导致纳米片由无孔向多孔的转变，其孔径分布范围是1nm～100nm。
[0015]本专利技术的设计思想如下：
[0016]对一个化学反应来说，反应发生在固
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固界面、固
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液界面、固
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气界面使得基底长最终产物的性能和形貌差别很大。气相水热法是一种在相应的金属基体上形成金属化合物薄膜纳米结构的新方法，该过程与液相热液过程最明显的区别是，由于金属基体上的薄的液相反应区内的质量传输限制，溶解和结构形成在金属基体上的高度局域化。但是传统气相水热法存在饱和蒸气压较大，使得卤素离子对基底的纵向刻蚀速率很快，而无法展现卤素离子作为形貌调控剂的作用，产物主要是展现一维特征的结构。而通过使用乙二醇等高沸点有机溶剂构造气相溶剂热法，可有效的降低反应的饱和蒸汽压，有效降低卤素对基底的刻蚀速率，为其能有效吸附在材料的某些晶面上提供了可能，因而金属在吸附卤素离子的平面维度生长受到限制，而在垂直金属基底的刻蚀维度以及没有卤素吸附的平面维度则生长不受限制，故可得到了二维纳米片结构。
[0017]本专利技术的优点及有益效果是：
[0018]1、本专利技术一种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，为基于金属化合物纳米片单晶阵列薄膜构筑高效光电转化与存储器件提供了丰富的材料储备和简易的制备方法。
[0019]2、本专利技术采用环境友好、步骤简单的合成方法，有利于规模化生产。
[0020]3、本专利技术采用的前驱体为各种金属(合金)基底或表面沉积有金属(或合金)涂层的基体，资源丰富，易于存储、制备和使用。
附图说明
[0021]图1.所得TiO2纳米片单晶阵列薄膜的XRD图谱，横坐标为衍射角2θ(degree)，纵坐标为衍射峰强度(a.u.)。
[0022]图2.所得TiO2纳米片单晶阵列薄膜的扫描电镜(SEM)照片。
[0023]图3.所得TiO2纳米片单晶阵列薄膜的剖面SEM照片。
[0024]图4.所得TiO2纳米片单晶阵列薄膜的紫外
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可见吸收光谱，横坐标代表波长(nm)，纵坐标为吸光强度(a.u.)。
[0025]图5.所得多孔TiN纳米片单晶阵列薄膜XRD图谱，横坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，其特征在于，以金属基体或表面沉积金属涂层的基体为前驱体，将其悬置于含有卤化物的乙二醇和水的混合溶液的上方，密封于反应釜中，放入烘箱中加热处理，待冷却至室温后取出基体，用去离子水清洗并烘干，得到基体支撑的金属氧化物纳米片单晶阵列薄膜；或者，进一步通过在含氮、硫、磷、碳和硼元素之一或两种以上混合的气氛热处理，得到基体支撑的金属氮化物、硫化物、磷化物、碳化物、硼化物以及不同元素掺杂的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜。2.按照权利要求1所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，其特征在于，前驱体为各种形态的金属或合金基体以及各种表面沉积金属或合金涂层的基体。3.按照权利要求1所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，其特征在于，含有卤化物的乙二醇和水的混合溶液中，水和乙二醇的质量比例为0～0.5，卤化物的摩尔浓度为1mM～1000mM，卤化物包括各种卤化物盐或氢卤酸，卤化物盐为NaF、KF或NaCl，氢卤酸为HF、HCl或HBr。4.按照权利要求1所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，其特征在于，烘箱加热处理温度为80～220℃，加热处理时间为0.5h～24h。5.按照权利要求1所述的金属化合物纳米片单晶阵列薄膜的制备方法，其特征在于，含...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘岗，徐伟，甄超，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：