[发明专利]一种氧化锌单晶材料、其制备方法及应用

说明书

本申请公开了一种氧化锌单晶材料、其制备方法及应用。所述氧化锌单晶材料具有交联网状结构，所述交联网状结构的交联部分为单晶结构。所述氧化锌单晶材料具有特殊的交联网状结构，可以大大提高PEC的水氧化性能，具有良好的作为PEC光电阳极的应用前景。

技术领域

本申请涉及一种氧化锌单晶材料、其制备方法及应用，属于半导体纳米材料技术领域。

背景技术

ZnO是一种重要的II-VI半导体材料，由于其固有的特性，即在室温下具有3.37eV的宽直接带隙和60meV的大直接激子结合能，因而备受关注。ZnO的导带和价带的位置同时满足还原水产生氢，氧化水产生氧的要求，可以有效地利用紫外线分解水。另外，由于其便宜，易于制备和高稳定性，它是有前途的半导体光催化材料。然而，由于电极/电解质界面处的电子-空穴对的重组以及不足的表面反应动力学，基于ZnO纳米材料的光阳极无法获得理想的结果。为了解决上述问题，通常有几种解决方法：ZnO的掺杂改性；在电极/电解质界面处添加催化剂；在电极/电解质界面处添加表面钝化层；构造特殊的ZnO纳米结构。

由于一维ZnO纳米材料(如纳米线，纳米棒，纳米片等)可以为载体提供线性传输通道，因此被广泛用于PEC光阳极的研究。然而，一维纳米材料具有小的比表面积和与电解质的小的接触面积，这限制了反应部位。如果可以构建特殊的三维ZnO纳米结构，则该结构由相互交联形成规则阵列的一维ZnO纳米元素组成。无疑，这种结构可以大大提高比表面积和载流子转移效率。

但是，实现这种大面积的3D交联纳米结构是一项艰巨的任务。通常，结构是通过生成后的组装方法构造的，例如电磁场引导的组装，Langmuir-Blodgett技术，压印等。然而，通过这些方法构造的纳米结构的晶体学方向不能被控制，并且在一维纳米结构单元之间不能形成单晶结，因此它们不能用于需要高单晶特性的光电器件中。另一种方法是直接外延生长以构建3D单晶纳米结构，通常采用车削和分叉生长方法。它通常会长出一个主干，然后在其侧面长出一个分支，但很难在树木之间形成交联结构。到目前为止，这种结构的开发仍处于摸索阶段。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供一种氧化锌单晶材料，所述氧化锌单晶材料具有特殊的交联网状结构，可以大大提高PEC的水氧化性能，具有良好的作为PEC光电阳极的应用前景。

一种氧化锌单晶材料，所述氧化锌单晶材料具有交联网状结构，所述交联网状结构的交联部分为单晶结构。

可选地，所述交联网状结构由片状纳米帆状结构互相交联形成。

优选地，所述氧化锌单晶材料晶面为氧化锌的晶面。

可选地，所述片状纳米帆状结构长度为500～5000nm，宽度为10～600nm。

可选地，所述片状纳米帆状结构长度上限选自800、1000、1200、1500、3000、或4000nm，下限选自500、800、1000、1200、1500或3000nm。

所述宽度上限选自30、50、70、90、110、120、150、180、200、250、300、400、450、500、550或600nm；下限选自10、30、50、50、70、90、110、120、150、180、200、250、300、400、450、500或550nm。

根据本申请的一个方面，提供一种根据上述任一项所述的氧化锌单晶材料的制备方法，所述制备方法包括：

将含有锌源、还原剂的原料在催化剂存在下，通过气相沉积在衬底上生长，获得所述氧化锌单晶材料；

所述衬底的晶体结构与非极性a平面ZnO晶格匹配；

所述催化剂包括金属；

所述催化剂在所述衬底表面形成催化层；

所述催化层的厚度为1～25nm。