[发明专利]一种掺杂纳米硅材料的制备方法及其在光超级电容器领域的应用

摘要

本发明提供一种利用掺杂气体制备掺杂纳米硅的方法，使纳米硅材料的尺寸和性能得到精确控制的同时，实现掺杂纳米硅材料的规模化制备；本发明在合成的过程中对纳米硅进行原位可控元素掺杂，提高纳米硅材料的导电性和光响应性能，并将制备的掺杂纳米硅作为光电极材料应用在光超级电容器领域。首先使用自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备，在通入氢气、惰性气体和含有掺杂元素气体的混合气氛中，以钨电极为电弧阴极，硅块为电弧阳极，引弧蒸发硅块原料，在原位制备的基础上一次性得到掺杂的纳米硅材料。本发明原料来源丰富，制备过程简单，可规模化制备；产物环境友好无污染，结构新颖；掺杂元素的加入，提高了纳米硅结构的光电特性。 1

主权项

1.一种掺杂纳米硅材料制备光电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：

用掺杂纳米硅材料来制备光电极，将掺杂纳米硅材料与Mg(NO₃)₂均匀分散于有机溶剂中，在100～600V电压下电沉积10～1200s，将掺杂纳米硅材料沉积在导电玻璃上，制成光电极；

所述的掺杂纳米硅材料在有机溶剂中的浓度为50～400mg/L；

所述的Mg(NO₃)₂在有机溶剂中的浓度为0.2～2mmol/L；

所述的有机溶剂为乙二醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、叔丁醇、戊醇、异戊醇、碳酸丙烯酯、碳酸丙二酯、乙二醇碳酸酯、乙腈、丙腈、二甲基亚砜、乙二胺、苯胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N,N‑二甲基甲酰胺、二甲基乙撑脲、甲基吡咯烷酮、N‑甲基吡咯烷酮、吡啶、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙二醇二甲基醚或四氢呋喃；

制备掺杂纳米硅材料的方法，包括以下步骤：

第一步，在自动控制直流电弧金属纳米粉体生产设备粉体生成室的阳极上放置硅块，通入氢气、惰性气体和含有掺杂元素的掺杂气体，粉体生成室的总气压保持在0Pa～9.5×10⁴Pa；

所述的硅块为20～200g，硅块的纯度为99.9％；

所述的含有掺杂元素的掺杂气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯、丙炔、丙烷、丁烷、丁烯、氮气、氨气、乙硼烷或磷烷的一种及其组合；

所述的氢气、惰性气体和掺杂气体的比例为1:(0～8):(0.005～0.5)；

第二步，接通电源形成稳定电弧，蒸发硅块，控制电弧反应时间为5～15min；待反应产物冷却至室温后，引入空气进行钝化处理，得到掺杂纳米硅材料。

2.如权利要求1所述的一种掺杂纳米硅材料制备光电极的方法，其特征在于，所述的硅块为固体硅块；所述的惰性气体为氦气、氖气或氩气的一种及其组合。

3.根据权利要求1或2所述的一种掺杂纳米硅材料制备光电极的方法，其特征在于，所述的导电玻璃为ITO、FTO或TCO导电玻璃。

4.权利要求1或2制备的光电极应用于光超级电容器领域，其特征在于，所述的光电极应用于光超级电容器领域，将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。

5.权利要求3制备的光电极应用于光超级电容器领域，其特征在于，所述的光电极应用于光超级电容器领域，将光电极与两个碳电极组装成光超级电容器。