基于MoS2纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法

摘要

本发明涉及一种基于MoS2纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法，包括有以下步骤：将至少一层二硫化钼纳米薄片分散到带有氧化层的硅基板上，其中纳米薄片作为沟道材料，氧化层作为介电层，在沟道材料的两端制作金属源极和漏极；旋涂绝缘层，使之覆盖住金属源极和漏极；在金属源极和漏极之间刻蚀出凹槽；在硅基板空白一侧除去氧化层，制作背栅电极的接触点，在器件表面注入电解液获得场效应电催化产氢器件。本发明的有益效果是：可代替铂类贵金属在催化制氢领域的应用，工艺简单，减少了生产成本，同时也为提高其他半导体材料的催化性能提供了指导策略，有益于未来相关方面的研究。

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法。

背景技术

进入21世纪以来，能源问题日益凸显，煤、石油等传统资源日益枯竭，因此寻找清洁高效的新型能源是十分必要的。而氢能作为洁净环保且含能高的能源，将在未来能源体系中占有一席之地。目前成熟的工业制氢方法有蒸汽转化法、煤气化法和电解水制氢法。前两种方法分别以天然气和煤为原料，易污染环境且加剧了化石燃料的枯竭；电解水制氢是将电能转化成化学能的一种方法，原料丰富，无污染，产品纯度高，利用电解水法大规模制氢的关键是降低阴极析氢反应的起峰电位。铂类贵金属催化剂价格高昂，不便推广，因此寻找一种经济高效的析氢催化剂对氢能的开发和利用是非常有意义的。

层状MoS₂作为一种过渡金属硫化物，储量丰富，价格便宜，同时有着合适的氢吸附能，有利于氢的吸附和脱附，所以成为了近几年的研究热点。但由于MoS₂的活性位点少，导电性能较差，致使其在析氢反应中的起峰电位很高，限制了它进一步的开发利用。增大活性位点的密度，提高导电性能来改善MoS₂的催化性能是目前研究的前沿与热点之一。

近些年来，为提高MoS₂的催化性能，具有纳米结构的MoS₂材料受到了广泛关注。相比于块体MoS₂，MoS₂纳米薄片作为一种直接带隙半导体材料，导电性能大大增强，同时它的比表面积增大，可以提供更多的活性位点，使其催化性能更好。场效应作为一种简单有效的纯物理方法，利用场效应增强MoS₂纳米薄片的催化析氢性能的方法却还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法，通过利用场效应来调控MoS₂纳米薄片的催化析氢活性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：将至少一层二硫化钼纳米薄片分散到带有氧化层的硅基板上，其中纳米薄片作为沟道材料，氧化层作为介电层，在沟道材料的两端制作金属源极和漏极；旋涂绝缘层，使之覆盖住金属源极和漏极；在金属源极和漏极之间刻蚀出凹槽；在硅基板空白一侧除去氧化层，制作背栅电极的接触点，在器件表面注入电解液获得场效应电催化产氢器件。

按上述方案，所述的氧化层为厚度80～500nm的SiO₂。

按上述方案，所述的电解液为硫酸溶液。

按上述方案，所述的硫酸溶液的浓度为0.5～1mol/L。

按上述方案，所述的金属源极、漏极材料为5nm的Cr，50～150nm的Au。

按上述方案，所述的绝缘层为厚度1～2μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；所刻蚀出的凹槽与金属源极、漏极平行，使MoS₂纳米薄片部分暴露而金属源极和漏极全部被绝缘层覆盖。

按上述方案，所述的背栅电极在析氢反应过程中对沟道材料提供垂直的电场，实现产氢性能的提高。

本发明利用背栅电极提供的电场，随着背栅电压值(-5-5V)的增大，场效应可以使费米能级的位置向导带底部靠近，降低存在于二硫化钼纳米薄片和金电极之间的能量势垒，促进电荷的输运，增强MoS₂纳米薄片的导电性，由于工作电极的导电性是影响工作电极催化性能的关键因素之一，因而MoS₂纳米薄片的催化性能也大大提高。在一定电压范围(0-5V)内，随着背栅电压值的不断增大，催化性能也不断得到提高。

本发明的有益效果是：本发明提出了基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法，通过构筑基于MoS₂纳米薄片的析氢反应装置，MoS₂薄片同时作为沟道和工作电极，在背栅电极处添加正电压来大幅度增强MoS₂纳米薄片的催化析氢性能，可代替铂类贵金属在催化制氢领域的应用，工艺简单，减少了生产成本，同时也为提高其他半导体材料的催化性能提供了指导策略，有益于未来相关方面的研究。

附图说明

图1是本发明实施例1中MoS₂纳米薄片电极的光学显微镜图和扫描电镜图；

图2是本发明实施例1中空白样品的光学显微镜图和扫描电镜图；

图3是未加背栅电压时空白样品、金电极、MoS₂纳米薄片和铂的析氢极化曲线；

图4是反应后MoS₂纳米薄片的能谱图；

图5是反应前后MoS₂纳米薄片的拉曼光谱图；

图6是不同背栅正电压下MoS₂纳米薄片的析氢极化曲线；

图7是不同背栅正电压下MoS₂纳米薄片的塔菲尔曲线图；

图8是在不同的背栅电压下MoS₂纳米薄片的场效应输出特性曲线；

图9是MoS₂纳米薄片的电导随背栅电压的变化曲线；

图10是构筑的场效应电催化产氢器件工作示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图10，一种基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法，它包括如下步骤：

1)将MoS₂纳米薄片分散沉积在表面有一层300nm厚的SiO₂的硅基片上，MoS₂纳米薄片采用机械剥离法制备；

2)采用电子束刻蚀、物理气相沉积等技术在MoS₂纳米薄片两端制作Cr(5nm)/Au(150nm)金属电极作为源极和漏极；

3)旋涂1～2μm厚的PMMA覆盖住源极和漏极，作为保护层，然后采用电子束刻蚀技术在MoS₂纳米薄片上刻出一个凹槽使MoS₂纳米薄片部分露出，得到制备好的基片，其光学显微镜图和扫描电镜图分别如图1左、右所示；

4)在硅基板空白一侧除去氧化层，制作背栅电极的接触点；

5)将1mol L^‐1的H₂SO₄电解液滴加在基片表面，完成基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备，对电极(铂丝)和参比电极(饱和甘汞电极)浸入电解液中构成三电极测试体系；

6)采取与上述相同的方法，在平行MoS₂纳米薄片的方向制作Cr(5nm)/Au(150nm)金属电极作为源极和漏极，MoS₂纳米薄片与源极和漏极不接触，其余步骤不变，完成基于MoS₂纳米薄片的析氢反应空白装置的组装，图2左、右分别表示空白样品的光学显微镜图和扫描电镜图；

7)在5mV/s的扫描速率下，采用线性扫描伏安法测得空白样品、金电极、MoS₂纳米薄片和铂的析氢极化曲线(如图3)，发现空白样品无催化现象，这样确保了实验的准确性和可靠性，同时也发现铂的起峰电位远远低于MoS₂纳米薄片和金电极的起峰电位；

8)使用能谱仪对反应后MoS₂纳米薄片的元素分布进行表征(如图4)，同时使用拉曼光谱仪对反应前后的MoS₂纳米薄片进行表征(如图5)。反应前后的形貌和元素分布并未发生改变，证明析氢反应的催化性能测试并不会对MoS₂纳米薄片的结构造成破坏。

实施例2

一种基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法，它包括如下步骤：

1)将MoS₂纳米薄片分散沉积在表面有一层500nm厚的SiO₂的重掺杂硅基片上，MoS₂纳米薄片采用机械剥离法制备；

2)采用电子束刻蚀、物理气相沉积等技术在MoS₂纳米薄片两端制作Cr(5nm)/Au(150nm)金属电极作为源极和漏极；

3)旋涂1～2μm厚的PMMA覆盖住源极和漏极，作为保护层，然后采用电子束刻蚀技术在MoS₂纳米薄片上刻出一个凹槽使MoS₂纳米薄片部分露出，得到制备好的基片，其光学显微镜图和扫描电镜图分别如图1左、右所示；

4)在硅基板空白一侧除去氧化层，制作背栅电极的接触点；

5)将0.5mol L^‐1的H₂SO₄电解液滴加在基片表面，完成基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备，对电极(铂丝)和参比电极(饱和甘汞电极)浸入电解液中构成三电极测试体系；

6)在不同SiO₂背栅正电压(0-5V)条件下，运用线性扫描伏安法对基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件进行催化性能分析，测出它们各自的析氢极化曲线(如图6)，同时得到塔菲尔曲线(如图7)，发现随着背栅电压从0增加到5V，MoS₂纳米薄片的催化性能也得到了显著的提高。

实施例3

一种基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备方法，它包括如下步骤：

1)将MoS₂纳米薄片分散沉积在表面有一层300nm厚的SiO₂的硅基片上，MoS₂纳米薄片采用机械剥离法制备；

2)采用电子束刻蚀、物理气相沉积等技术在MoS₂纳米薄片两端制作Cr(5nm)/Au(150nm)金属电极作为源极和漏极；

3)旋涂1～2μm厚的PMMA覆盖住源极和漏极，作为保护层，然后采用电子束刻蚀技术在MoS₂纳米薄片上刻出一个凹槽使MoS₂纳米薄片部分露出，得到制备好的基片，其光学显微镜图和扫描电镜图分别如图1左、右所示；

4)在硅基板空白一侧除去氧化层，制作背栅电极的接触点；

5)将0.5mol L^‐1的H₂SO₄电解液滴加在基片表面，完成基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件的制备，对电极(铂丝)和参比电极(饱和甘汞电极)浸入电解液中构成三电极测试体系；

6)对基于MoS₂纳米薄片的场效应电催化产氢器件进行原位电输运测试，即在不同的背栅电压下(‐5‐5V)测试MoS₂纳米薄片的电荷输运特性(如图8)，发现MoS₂纳米薄片的电导随着背栅电压的增大而增大(如图9)，验证了场效应对MoS₂纳米薄片的导电性有促进作用，同时说明了场效应可能是通过影响电荷输运，改变MoS₂纳米薄片的导电性，进而影响MoS₂纳米薄片的催化性能。