[发明专利]一种化学气相沉积法构造半导体与金属硫化物异质电极的方法

说明书

本发明涉及一种化学气相沉积法构造半导体与金属硫化物异质电极的方法，包括以下过程：（1）清洗半导体作为衬底；（2）取金属氧化物粉末和硫粉末；（3）将半导体衬底放在装有金属氧化物的陶瓷舟上，并将陶瓷舟置于真空管式炉中间，随后将装有硫粉的陶瓷舟放置在距离真空管式炉中间上游的15cm处。（4）用真空泵将真空管式炉的石英管内的压强抽至7.5×10^‑2Torr，并用高纯氮气以200sccm的流量重新填充到常压状态，如此重复三次后调节高纯氮气的流量至50sccm并保持。（5）编辑真空管式炉的温度控制程序。（6）气相沉积过程结束后，待真空管式炉自然冷却到室温后，可获得半导体衬底支撑金属硫化纳米片阵列的异质复合样品。通过本发明，制备过程成本低、效率高。

技术领域

本发明涉及一种化学气相沉积法构造半导体与金属硫化物异质电极的方法，属于纳米功能材料领域。

背景技术

由于化石燃料的大规模使用，导致了日益严重的环境问题和能源危机，这促使人们去寻找新型的清洁能源。氢气被认为是一种有望代替化石燃料的理想清洁能源。光电化学电池分解水技术可以有效的将可再生的太阳能转换成清洁的氢能源。目前，很多半导体（如Si、TiO₂、ZnO、CuO、Fe₂O₃等）都展现了收集光生载流子并激发氢气或氧气演化反应的潜能，但是大部分半导体都存在表面催化活性不足的问题。近年来，二维过渡金属硫化物由于其边缘拥有优异的活性位点、化学性质稳定、资源丰富、价格低廉等优势在电催化产氢领域受到广泛的研究。鉴于此，半导体光电极表面装载过渡金属硫化物作为助催化剂，是一种有效提高光电化学制氢效能的普适方案。当前，实验室通常将金属硫化物的粉末配成溶胶，采用旋涂工艺，在衬底表面制膜，这种方法存在两个弊端，（1）助催化剂与半导体、助催化剂颗粒之间存在大量的接触结势垒，阻碍了电荷载流子的传输；（2）助催化剂堆积成膜后，与电解液和入射光波阵面接触的有效活性面积必然下降，降低了助催化剂的活性位点数量。鉴于以上两点分析，探索新的合成方案，改善助催化剂与半导体的结合方式和助催化本身的微观结构，可以提升过渡金属硫化物在半导体光电极上助催化功能。

少层过渡金属硫化物纳米片具有本真优异的电催化析氢活性，将其集成到光敏半导体表面可以有效提升半导体光电极制氢效能。我们公开一种在半导体电极上直接生长金属硫化物纳米片的普适性方法，生长的纳米片垂直排列，形成三维多孔阵列结构，具有以下典型的结构优势：（1）直接生长的金属硫化物纳米片与半导体接触紧密，有利于光生载流子界面传输；（2）择优暴露催化剂表面与电解液接触，保证催化反应的高效运行；（3）三维多孔结构增加了入射光散射吸收，便于电解质渗透和气体产物溢出。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有问题，提供一种化学气相沉积法构造半导体与金属硫化物异质电极的方法，化学气相沉积法，用于生长金属硫化物纳米片制备半导体与金属硫化物异质光电极。

本发明的目的是这样实现的，一种化学气相沉积法构造半导体与金属硫化物异质电极的方法，其特征在于，包括以下过程：

（1）半导体衬底的清洗，用丙酮、乙醇、去离子水分别清洗20min，彻底清除表面的有机残留物和杂质，用氮气吹干备用；

（2）按金属元素和硫元素的摩尔比1：200称取金属氧化物粉末和硫粉末，分别置于两个陶瓷舟中；

（3）将清洗过的半导体衬底放在步骤（2）中装有金属氧化物粉末的陶瓷舟上，并将装有金属氧化物粉末的陶瓷舟置于真空管式炉中间，随后将步骤（2）中装有硫粉末的陶瓷舟放置在距离真空管式炉中间上游的15cm处；

（4）用真空泵将真空管式炉的石英管内的压强抽至7.5×10-2Torr，并用高纯氮气以200sccm的流量重新填充到常压状态，调节高纯氮气的流量至50sccm并保持；

（5）编辑真空管式炉的温度控制程序:升温速度10℃/min，温度升至750-850℃，保持15min；