場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，將至少一層二硒化釩納米薄片分散到帶有氧化層的硅基板上，其中納米薄片作為溝道材料，氧化層作為介電層，在溝道材料的兩端制作金屬微電極；旋涂一層絕緣層，并在兩金屬微電極之間刻蝕出矩形窗口；在硅基板空白一側(cè)除去氧化層，制作背柵電極的接觸點(diǎn)，在器件表面注入電解液獲得場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件。本發(fā)明專利技術(shù)的有益效果是：可以作為優(yōu)化納米材料電催化性能的新策略。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于納米材料與電化學(xué)
，具體的是涉及一種場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法。
技術(shù)介紹
氫能被稱為21世紀(jì)最清潔的能源，因其豐富的資源、可再生性和高能量密度而具有廣泛應(yīng)用的前景。在當(dāng)今對(duì)環(huán)境保護(hù)問題格外重視的大背景下，發(fā)展氫能顯得格外重要。目前制氫的方法有很多，如化石燃料制氫、微生物制氫、光催化制氫和電解水制氫等。其中，電解水制氫是最高效可行的制氫方法并且已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的鉑、鈀等貴金屬作為優(yōu)秀的電解水催化劑，其稀少的儲(chǔ)存量和昂貴的價(jià)格限制了其大規(guī)模應(yīng)用。尋找可替代貴金屬的經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定的電催化劑成為了目前被廣泛研究的重要課題。在電催化領(lǐng)域，研究熱點(diǎn)主要集中在多元材料的合成、材料結(jié)構(gòu)和形貌的構(gòu)筑以及金屬協(xié)同效應(yīng)等方面。然而電催化作為一個(gè)發(fā)生在材料與溶液界面的反應(yīng)，其表界面狀態(tài)對(duì)催化反應(yīng)的影響卻鮮有研究。場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)方面的研究表明，通過背柵/液柵電場(chǎng)的施加，可以調(diào)控材料表面的電荷狀態(tài)和溶液中的離子分布，并實(shí)現(xiàn)材料的電荷轉(zhuǎn)移速率的調(diào)控。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，通過基于硅基板的器件組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溝道材料施加背柵電場(chǎng)，調(diào)控固液界面離子分布來實(shí)現(xiàn)材料電催化產(chǎn)氫性能的大幅度提升。本專利技術(shù)解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，其特征在于包括有以下步驟：將至少一層二硒化釩(VSe2)納米薄片分散到帶有氧化層的硅基板上，其中納米薄片作為溝道材料，氧化層作為介電層，在溝道材料的兩端制作金屬微電極；旋涂一層絕緣層，并在兩金屬微電極之間刻蝕出矩形窗口；在硅基板空白一側(cè)除去氧化層，制作背柵電極的接觸點(diǎn)，在器件表面注入電解液獲得場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件。按上述方案，所述的電解液為硫酸溶液或水溶液。按上述方案，所述的硫酸溶液的濃度為0.5～1mol/L。按上述方案，所述的氧化層為SiO2或Al2O3，其厚度為80～300nm。按上述方案，金屬微電極是平行設(shè)置的，微電極的材料為5nm的Cr，50～150nm的Au。按上述方案，所述的絕緣層為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，其厚度為1～2μm；刻蝕出的矩形窗口平行于金屬微電極，使溝道材料暴露而金屬微電極全部被絕緣層覆蓋。按上述方案，所述的背柵電極在析氫反應(yīng)過程中對(duì)溝道材料提供垂直的電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫性能的提高。本專利技術(shù)測(cè)試和表征其電催化性能的方法為：將參比電極和對(duì)電極浸入到電解液中，組裝成三電極測(cè)試體系進(jìn)行測(cè)試。本專利技術(shù)利用基于硅基板的器件組裝來實(shí)現(xiàn)利用背柵電場(chǎng)優(yōu)化材料的電催化性能。構(gòu)筑的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件可以實(shí)現(xiàn)材料性能的精確測(cè)試和原位分析，進(jìn)而揭示界面狀態(tài)對(duì)電催化性能的影響本質(zhì)。本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)提出了一種通過場(chǎng)效應(yīng)提高材料的電催化產(chǎn)氫性能的新方法，由于未添加任何導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，可以實(shí)現(xiàn)材料電催化性能精確的測(cè)試和表征；該方法通過外加電場(chǎng)調(diào)控溶液中離子的分布，實(shí)現(xiàn)通過純物理手段優(yōu)化材料催化性能的目的；通過基于電催化產(chǎn)氫器件的原位測(cè)試和分析，建立了材料表面吸附離子與催化反應(yīng)速率的直接聯(lián)系；可作為優(yōu)化納米材料電催化性能的新策略。附圖說明圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例1和3構(gòu)筑的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件工作示意圖；圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例1構(gòu)筑的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的析氫極化曲線圖；圖3是本專利技術(shù)實(shí)施例1構(gòu)筑的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的塔菲爾斜率曲線圖；圖4是本專利技術(shù)實(shí)施例2構(gòu)筑的測(cè)試電催化產(chǎn)氫性能優(yōu)化原理的器件工作示意圖；圖5是本專利技術(shù)實(shí)施例2的電化學(xué)交流阻抗譜的奈奎斯特圖；圖6是本專利技術(shù)實(shí)施例2的高低頻區(qū)的等效電阻和時(shí)間常數(shù)曲線圖；圖7是本專利技術(shù)實(shí)施例3的不同ΔV下的析氫極化曲線和材料電阻隨電勢(shì)變化曲線圖。具體實(shí)施方式為了更好地理解本專利技術(shù)，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本專利技術(shù)的內(nèi)容，但本專利技術(shù)的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例1：本專利技術(shù)中場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，它包括如下步驟：1)將用機(jī)械剝離法制備的VSe2納米薄片6分散到潔凈的帶有氧化層的硅基板3(氧化層為300nm的SiO2層)表面，其中納米薄片作為溝道材料，氧化層作為介電層2。2)利用電子束曝光刻蝕和物理熱蒸發(fā)沉積的方法在納米薄片6的兩端制作平行設(shè)置的金屬微電極作為工作電極1(Cr5nm，Au150nm)。3)旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(厚度1.6μm)作為絕緣層4，利用電子束曝光刻蝕的方法在納米片所在的位置刻蝕出平行于金屬微電極的矩形窗口5，使溝道材料暴露而金屬電極被絕緣層覆蓋。4)在硅基板空白一側(cè)除去氧化層，制作背柵電極7的接觸點(diǎn)。5)在器件表面滴加0.5mol/L的H2SO4溶液8。將對(duì)電極(鉑絲)10和參比電極9(飽和甘汞電極)浸入溶液中，與任意一個(gè)連接在納米片上的金屬微電極構(gòu)成三電極測(cè)試體系。本實(shí)施例中構(gòu)筑的電催化產(chǎn)氫器件工作示意圖參照如附圖1，背柵電場(chǎng)通過連接在背柵電極接觸點(diǎn)的線路來施加，測(cè)試時(shí)參比電極和對(duì)電極需充分浸入溶液中。本實(shí)施例中構(gòu)筑的電催化產(chǎn)氫器件測(cè)試得到的不同背柵電場(chǎng)下的析氫極化曲線以及對(duì)應(yīng)的塔菲爾斜率曲線如附圖2和附圖3所示。析氫過電位和塔菲爾斜率隨著背柵電場(chǎng)的增加有明顯的減小趨勢(shì)(從215mV/dec到134mV/dec)，表明在負(fù)的背柵電壓形成的垂直電場(chǎng)作用下，材料的催化性能得到大幅度提升(過電位從175mV降低到95mV)。實(shí)施例2：本專利技術(shù)中用于測(cè)試納米薄片電催化性能優(yōu)化機(jī)制的方法，它包括如下步驟：1)選用潔凈的重?fù)诫s硅基板3，利用原子層沉積系統(tǒng)在其表面沉積80nm的Al2O3作為介電層2。2)將用機(jī)械剝離法制備的VSe2納米薄片6分散到的帶有氧化層的硅基板3表面。3)利用電子束曝光刻蝕和物理熱蒸發(fā)沉積的方法在納米薄片6的兩端(與納米片接觸)和外側(cè)(不與納米片接觸)以及硅基板一側(cè)邊緣(除去氧化層的區(qū)域)制作金屬微電極(Cr5nm，Au150nm)，分別作為工作電極1，對(duì)電極10和背柵電極7。4)旋涂一層1.6μm厚的PMMA作為絕緣層4，利用電子束曝光刻蝕的方法在納米片所在的位置刻蝕出平行于金屬微電極的矩形窗口5，使納米薄片溝道材料暴露而金屬電極被絕緣層覆蓋。5)在器件表面滴加0.5mol/L的H2SO4溶液8。將參比電極(Ag/AgCl電極)9浸入溶液中，與任意一個(gè)連接在納米片上的金屬微電極和對(duì)電極構(gòu)成三電極測(cè)試體系。本實(shí)施例中的測(cè)試器件如附圖4所示，背柵電場(chǎng)通過連接背柵電極的線路施加。本實(shí)施例利用電化學(xué)交流阻抗法測(cè)試不同背柵電壓下材料的析氫動(dòng)力學(xué)過程。本實(shí)施例中測(cè)得的0V和-1V的背柵電壓下的奈奎斯特圖如附圖5所示，擬合時(shí)使用典型的雙時(shí)間常數(shù)模型擬合。本實(shí)施例中測(cè)得的不同的背柵電壓下的高低頻區(qū)的等效電阻和時(shí)間常數(shù)曲線如附圖6所示。高頻區(qū)電荷轉(zhuǎn)移電阻和反應(yīng)時(shí)間常數(shù)的大幅度減小(電荷轉(zhuǎn)移電阻從1.03MΩ減小為0.15MΩ，反應(yīng)時(shí)間常數(shù)從2.5×10-3FΩ減小為5.0×10-4FΩ)，表明隨著背柵電場(chǎng)的增加，吸附反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程得到大幅度提高。測(cè)試結(jié)果從動(dòng)力學(xué)角度揭示了優(yōu)化機(jī)制。實(shí)施例3：本專利技術(shù)中原位測(cè)試納米薄片電催化過程中離子分布對(duì)材料電輸運(yùn)性質(zhì)影響的方法，它包括如下步驟：1)將用機(jī)械剝離法制備的VSe2納米薄片6分散到潔凈的帶有氧化層2的硅基板3(表面為300nm的SiO2層)表面，其本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，其特征在于包括有以下步驟：將至少一層二硒化釩納米薄片分散到帶有氧化層的硅基板上，其中納米薄片作為溝道材料，氧化層作為介電層，在溝道材料的兩端制作金屬微電極；旋涂一層絕緣層，并在兩金屬微電極之間刻蝕出矩形窗口；在硅基板空白一側(cè)除去氧化層，制作背柵電極的接觸點(diǎn)，在器件表面注入電解液獲得場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件。

【技術(shù)特征摘要】
1.場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，其特征在于包括有以下步驟：將至少一層二硒化釩納米薄片分散到帶有氧化層的硅基板上，其中納米薄片作為溝道材料，氧化層作為介電層，在溝道材料的兩端制作金屬微電極；旋涂一層絕緣層，并在兩金屬微電極之間刻蝕出矩形窗口；在硅基板空白一側(cè)除去氧化層，制作背柵電極的接觸點(diǎn)，在器件表面注入電解液獲得場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，其特征在于所述的電解液為硫酸溶液或水溶液。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，其特征在于所述的硫酸溶液的濃度為0.5～1mol/L。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)電...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：麥立強(qiáng)，潘雪雷，晏夢(mèng)雨，王俊輝，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：武漢理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42