TiO2Si復(fù)合材料的制備及其性能分析

陸迪　孔德龍　孫向博

摘 要：Si（硅）是一種比較常見的半導(dǎo)體材料，在許多個領(lǐng)域之中得到了廣泛的應(yīng)用，如太陽能電池、光電材料等，并在這些領(lǐng)域之中發(fā)揮著非常重要的作用。但是，因為空氣折射系數(shù)與硅的折射系數(shù)兩者之間存在著非常大的差別，從而導(dǎo)致光波在界面處出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的反射損失。為降低界面反射損失，必須在硅半導(dǎo)體材料的表面加鍍一層漸變層材料，且該漸變層材料的折射率應(yīng)當(dāng)處于1.0～3.5之間。TiO2，即鈦白粉，其折射率為2.73，且具有成本低、耐腐蝕、無毒、光催化活性較高、化學(xué)性能穩(wěn)定以及氧化還原電位高等一系列的優(yōu)勢，因此，其被看作是一種十分理想的光催化劑。

關(guān)鍵詞：TiO2/Si復(fù)合材料 制備 性能 光催化

中圖分類號：TM912.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0061-02

近年來，復(fù)合型催化材料憑借著其所具有的表面活性高、層間距大、孔徑大以及表面積較大等一系列優(yōu)勢性能，在光學(xué)元件、電化學(xué)、光催化氧化等方面上展示出了良好的應(yīng)用潛力與廣闊的應(yīng)用前景，且已經(jīng)成為了光催化材料領(lǐng)域的關(guān)注焦點與研究熱點。該篇論文通過開展實驗，對TiO2/Si復(fù)合材料的制備及其性能進(jìn)行了分析。

1 實驗材料

首先，該研究所用實驗儀器及設(shè)備主要包括：（1）日本日立株式會社生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡（S4800型）；（2）德國布魯克AXS公司生產(chǎn)的X射線衍射儀（D8型）；（3）北京暢拓科技公司生產(chǎn)的電化學(xué)工作站（CHFXM500W 型）；（4）北京普析通用儀器公司生產(chǎn)的紫外可見分光光度計（U1901型）。

其次，該研究所用實驗試劑主要包括：（1）鈦酸四丁酯；（2）丙酮；（3）氯仿；（4）乙醇；（5）37%濃鹽酸；（6）去離子水；（7）單晶硅。

2 實驗方法

首先，TiO2/Si復(fù)合材料的制備方法：（1）對單晶硅片進(jìn)行切割，將其制成所需要的性狀、尺寸，然后使用乙醇、丙酮、氯仿以及水超聲對其進(jìn)行清洗，清洗時間約為5 min；（2）將硅片放置在80 ℃的熱臺上進(jìn)行15 min的親水處理，然后使用氮氣把經(jīng)過處理的硅片吹干、待用；（3）配制乙醇溶液，濃度為0.01 mol/L鈦酸四丁酯，之后把硅片浸入乙醇溶液之后使其生長，一定時間時候?qū)⒐杵〕龃蹈桑椭瞥闪吮砻娓接蠺iO2的硅片；（4）將附有TiO2的硅片樣品垂直浸入反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜中裝有混合溶液，即1 mL鈦酸四丁酯、2 mL濃鹽酸、2 mL去離子水，之后對其進(jìn)行加熱，反應(yīng)釜中溶液溫度至130 ℃為止，并保持4 h、8 h或者16 h，之后將其取出，使用氮氣吹干、待用。

其次，TiO2/Si復(fù)合材料的性能分析方法：第一，光電性能的測驗。其光電性能主要通過對TiO2/Si復(fù)合材料實施光電流測試來進(jìn)行評估。具體如下，對電極為鉑片，工作電極為TiO2/Si復(fù)合材料，電解液是0.5 mol的硫酸鈉，光照光源為氨燈，使用電化學(xué)工作站，對TiO2/Si復(fù)合材料進(jìn)行光電性能評估；第二，光催化性能的測驗。其光催化活性主要通過對亞甲基藍(lán)染料的降解來進(jìn)行評估。具體如下，配制濃度為0.000 01 mol/L的亞甲基藍(lán)溶液，并將制備出的TiO2/Si復(fù)合材料放進(jìn)石英燒杯，之后在石英燒杯中加入5 mL染料亞甲基藍(lán)溶液，在氨燈持續(xù)照射的狀態(tài)之下，每隔1 h就檢測一次樣品，檢測儀器為紫外可見光譜儀，檢測內(nèi)容為亞甲基藍(lán)分子在663 nm處吸收峰的最大值，通過觀察染料亞甲基藍(lán)溶液的濃度變化，體現(xiàn)出TiO2/Si復(fù)合材料的光催化性能。

3 實驗結(jié)果與討論

通過開展實驗研究，對TiO2/Si復(fù)合材料的性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要具備如下性能。

3.1 光電性能

該實驗檢測TiO2/Si復(fù)合材料的光電性能主要通過測試TiO2/Si復(fù)合材料樣品的光電流。如圖1所示，在TiO2/Si復(fù)合材料樣品表面無光照的前提下，TiO2半導(dǎo)體材料中的電子被局限在價帶中進(jìn)行運動，所以在回路之中電子沒有出現(xiàn)定向運動，也沒有產(chǎn)生電流。而在TiO2/Si復(fù)合材料樣品表面有光照的前提下，電子受到了激發(fā)，從價帶直接轉(zhuǎn)移到了導(dǎo)帶，所以在回路之中產(chǎn)生了電流。TiO2/Si復(fù)合材料表面的光電流也會隨著施加電壓的加大而增加，當(dāng)電壓到達(dá)1.5 V的時候，TiO2/Si復(fù)合材料表面的光電流就會達(dá)到15μA/cm3，而且未出現(xiàn)飽和區(qū)，充分表明在光照條件下，該研究所制成的TiO2/Si復(fù)合材料樣品具有較高的電荷分離效率。

3.2 抗反射性能

TiO2/Si復(fù)合材料的抗反射性能主要通過積分球反射光譜進(jìn)行表征。從圖2可以看出，單純硅片的表面反射率大約為50%，在單純硅片表面復(fù)合TiO2后，其表面反射率降低到了10%。通過分析表面反射率降低的原因發(fā)現(xiàn)，主要是因為TiO2的折射率為2.73，該折射率介于空氣折射率與硅的折射率之間，因此，在光從空氣進(jìn)入硅片的過程中，就會在表面的TiO2上出現(xiàn)一個漸變減緩的變化，也就是說，TiO2會作為一個比表面積較大的減反膜，起到減少入射光反射損失的效果。通過對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出，TiO2/Si復(fù)合材料的抗反性能良好。

3.3 光催化性能

TiO2/Si復(fù)合材料的光催化活性主要通過對亞甲基藍(lán)染料的降解來進(jìn)行評估。由圖3可以看出，單品硅片對亞甲基藍(lán)染料有部分降解，但在處于相同時間的情況下，TiO2/Si復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)染料的降解率明顯高于單純硅片對亞甲基藍(lán)染料的降解率。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，主要在于與單純硅片相比，TiO2/Si復(fù)合材料的比表面積更大、抗反性能更加優(yōu)越，因此TiO2/Si復(fù)合材料對光的吸收較多，也就是說TiO2/Si復(fù)合材料的光催化性能更好。

4 結(jié)論

通過實驗研究得出以下結(jié)論。

（1）TiO2/Si復(fù)合材料因為P-n結(jié)效應(yīng)，對光生電子-空穴對的復(fù)合起到了有效抑制的作用，從而使光電轉(zhuǎn)換效率得到了提高。

（2）與單品硅片相比，TiO2/Si復(fù)合材料的抗反射性能較好。

（3）因為TiO2/Si復(fù)合材料的比表面積較大、抗反性能良好、光電分離效率較高，因此，在模擬太陽光條件下，對染料亞甲基藍(lán)溶液的催化降解能力較為理想。

參考文獻(xiàn)

[1] 張星，吳平霄，吳錦華，等.摻雜過渡金屬的TiO2/累托石復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014（3）：612-619.

[2] 周琪，鐘永輝，陳星，等.石墨烯/納米TiO2復(fù)合材料的制備及其光催化性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2014（2）：255-262.

[3] 劉丹，李祥村，賀高紅，等.SiO2-TiO2多孔復(fù)合材料的制備及其吸附性能研究[J].現(xiàn)代化工，2014（4）：57-60.

[4] 何飛，李贏，張欣，等.TiO2/Si復(fù)合材料的制備及其性能研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2016（2）：218-221.