本發(fā)明屬于納米材料與電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法。

背景技術(shù)：

進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源問題日益凸顯，煤、石油等傳統(tǒng)資源日益枯竭，因此尋找清潔高效的新型能源是十分必要的。而氫能作為潔凈環(huán)保且含能高的能源，將在未來能源體系中占有一席之地。目前成熟的工業(yè)制氫方法有蒸汽轉(zhuǎn)化法、煤氣化法和電解水制氫法。前兩種方法分別以天然氣和煤為原料，易污染環(huán)境且加劇了化石燃料的枯竭；電解水制氫是將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的一種方法，原料豐富，無(wú)污染，產(chǎn)品純度高，利用電解水法大規(guī)模制氫的關(guān)鍵是降低陰極析氫反應(yīng)的起峰電位。鉑類貴金屬催化劑價(jià)格高昂，不便推廣，因此尋找一種經(jīng)濟(jì)高效的析氫催化劑對(duì)氫能的開發(fā)和利用是非常有意義的。

層狀MoS₂作為一種過渡金屬硫化物，儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，同時(shí)有著合適的氫吸附能，有利于氫的吸附和脫附，所以成為了近幾年的研究熱點(diǎn)。但由于MoS₂的活性位點(diǎn)少，導(dǎo)電性能較差，致使其在析氫反應(yīng)中的起峰電位很高，限制了它進(jìn)一步的開發(fā)利用。增大活性位點(diǎn)的密度，提高導(dǎo)電性能來改善MoS₂的催化性能是目前研究的前沿與熱點(diǎn)之一。

近些年來，為提高M(jìn)oS₂的催化性能，具有納米結(jié)構(gòu)的MoS₂材料受到了廣泛關(guān)注。相比于塊體MoS₂，MoS₂納米薄片作為一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)，同時(shí)它的比表面積增大，可以提供更多的活性位點(diǎn)，使其催化性能更好。場(chǎng)效應(yīng)作為一種簡(jiǎn)單有效的純物理方法，利用場(chǎng)效應(yīng)增強(qiáng)MoS₂納米薄片的催化析氫性能的方法卻還未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，通過利用場(chǎng)效應(yīng)來調(diào)控MoS₂納米薄片的催化析氫活性。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：基于MoS₂納米薄片的場(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：將至少一層二硫化鉬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源極和漏極；旋涂絕緣層，使之覆蓋住金屬源極和漏極；在金屬源極和漏極之間刻蝕出凹槽；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，所述的氧化層為厚度80～500nm的SiO₂。

按上述方案，所述的電解液為硫酸溶液。

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，所述的金屬源極、漏極材料為5nm的Cr，50～150nm的Au。

按上述方案，所述的絕緣層為厚度1～2μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；所刻蝕出的凹槽與金屬源極、漏極平行，使MoS₂納米薄片部分暴露而金屬源極和漏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。

本發(fā)明利用背柵電極提供的電場(chǎng)，隨著背柵電壓值(-5-5V)的增大，場(chǎng)效應(yīng)可以使費(fèi)米能級(jí)的位置向?qū)У撞靠拷?，降低存在于二硫化鉬納米薄片和金電極之間的能量勢(shì)壘，促進(jìn)電荷的輸運(yùn)，增強(qiáng)MoS₂納米薄片的導(dǎo)電性，由于工作電極的導(dǎo)電性是影響工作電極催化性能的關(guān)鍵因素之一，因而MoS₂納米薄片的催化性能也大大提高。在一定電壓范圍(0-5V)內(nèi)，隨著背柵電壓值的不斷增大，催化性能也不斷得到提高。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了基于MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備方法，通過構(gòu)筑基于MoS₂納米薄片的析氫反應(yīng)裝置，MoS₂薄片同時(shí)作為溝道和工作電極，在背柵電極處添加正電壓來大幅度增強(qiáng)MoS₂納米薄片的催化析氫性能，可代替鉑類貴金屬在催化制氫領(lǐng)域的應(yīng)用，工藝簡(jiǎn)單，減少了生產(chǎn)成本，同時(shí)也為提高其他半導(dǎo)體材料的催化性能提供了指導(dǎo)策略，有益于未來相關(guān)方面的研究。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中MoS₂納米薄片電極的光學(xué)顯微鏡圖和掃描電鏡圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中空白樣品的光學(xué)顯微鏡圖和掃描電鏡圖；

圖3是未加背柵電壓時(shí)空白樣品、金電極、MoS₂納米薄片和鉑的析氫極化曲線；

圖4是反應(yīng)后MoS₂納米薄片的能譜圖；

圖5是反應(yīng)前后MoS₂納米薄片的拉曼光譜圖；

圖6是不同背柵正電壓下MoS₂納米薄片的析氫極化曲線；

圖7是不同背柵正電壓下MoS₂納米薄片的塔菲爾曲線圖；

圖8是在不同的背柵電壓下MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)輸出特性曲線；

圖9是MoS₂納米薄片的電導(dǎo)隨背柵電壓的變化曲線；

圖10是構(gòu)筑的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件工作示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖10，一種基于MoS₂納米薄片的場(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MoS₂納米薄片分散沉積在表面有一層300nm厚的SiO₂的硅基片上，MoS₂納米薄片采用機(jī)械剝離法制備；

2)采用電子束刻蝕、物理氣相沉積等技術(shù)在MoS₂納米薄片兩端制作Cr(5nm)/Au(150nm)金屬電極作為源極和漏極；

3)旋涂1～2μm厚的PMMA覆蓋住源極和漏極，作為保護(hù)層，然后采用電子束刻蝕技術(shù)在MoS₂納米薄片上刻出一個(gè)凹槽使MoS₂納米薄片部分露出，得到制備好的基片，其光學(xué)顯微鏡圖和掃描電鏡圖分別如圖1左、右所示；

4)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)；

5)將1mol L^‐1的H₂SO₄電解液滴加在基片表面，完成基于MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備，對(duì)電極(鉑絲)和參比電極(飽和甘汞電極)浸入電解液中構(gòu)成三電極測(cè)試體系；

6)采取與上述相同的方法，在平行MoS₂納米薄片的方向制作Cr(5nm)/Au(150nm)金屬電極作為源極和漏極，MoS₂納米薄片與源極和漏極不接觸，其余步驟不變，完成基于MoS₂納米薄片的析氫反應(yīng)空白裝置的組裝，圖2左、右分別表示空白樣品的光學(xué)顯微鏡圖和掃描電鏡圖；

7)在5mV/s的掃描速率下，采用線性掃描伏安法測(cè)得空白樣品、金電極、MoS₂納米薄片和鉑的析氫極化曲線(如圖3)，發(fā)現(xiàn)空白樣品無(wú)催化現(xiàn)象，這樣確保了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)鉑的起峰電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MoS₂納米薄片和金電極的起峰電位；

8)使用能譜儀對(duì)反應(yīng)后MoS₂納米薄片的元素分布進(jìn)行表征(如圖4)，同時(shí)使用拉曼光譜儀對(duì)反應(yīng)前后的MoS₂納米薄片進(jìn)行表征(如圖5)。反應(yīng)前后的形貌和元素分布并未發(fā)生改變，證明析氫反應(yīng)的催化性能測(cè)試并不會(huì)對(duì)MoS₂納米薄片的結(jié)構(gòu)造成破壞。

實(shí)施例2

一種基于MoS₂納米薄片的場(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MoS₂納米薄片分散沉積在表面有一層500nm厚的SiO₂的重?fù)诫s硅基片上，MoS₂納米薄片采用機(jī)械剝離法制備；

2)采用電子束刻蝕、物理氣相沉積等技術(shù)在MoS₂納米薄片兩端制作Cr(5nm)/Au(150nm)金屬電極作為源極和漏極；

3)旋涂1～2μm厚的PMMA覆蓋住源極和漏極，作為保護(hù)層，然后采用電子束刻蝕技術(shù)在MoS₂納米薄片上刻出一個(gè)凹槽使MoS₂納米薄片部分露出，得到制備好的基片，其光學(xué)顯微鏡圖和掃描電鏡圖分別如圖1左、右所示；

4)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)；

5)將0.5mol L^‐1的H₂SO₄電解液滴加在基片表面，完成基于MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備，對(duì)電極(鉑絲)和參比電極(飽和甘汞電極)浸入電解液中構(gòu)成三電極測(cè)試體系；

6)在不同SiO₂背柵正電壓(0-5V)條件下，運(yùn)用線性掃描伏安法對(duì)基于MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件進(jìn)行催化性能分析，測(cè)出它們各自的析氫極化曲線(如圖6)，同時(shí)得到塔菲爾曲線(如圖7)，發(fā)現(xiàn)隨著背柵電壓從0增加到5V，MoS₂納米薄片的催化性能也得到了顯著的提高。

實(shí)施例3

一種基于MoS₂納米薄片的場(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MoS₂納米薄片分散沉積在表面有一層300nm厚的SiO₂的硅基片上，MoS₂納米薄片采用機(jī)械剝離法制備；

2)采用電子束刻蝕、物理氣相沉積等技術(shù)在MoS₂納米薄片兩端制作Cr(5nm)/Au(150nm)金屬電極作為源極和漏極；

3)旋涂1～2μm厚的PMMA覆蓋住源極和漏極，作為保護(hù)層，然后采用電子束刻蝕技術(shù)在MoS₂納米薄片上刻出一個(gè)凹槽使MoS₂納米薄片部分露出，得到制備好的基片，其光學(xué)顯微鏡圖和掃描電鏡圖分別如圖1左、右所示；

4)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)；

5)將0.5mol L^‐1的H₂SO₄電解液滴加在基片表面，完成基于MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件的制備，對(duì)電極(鉑絲)和參比電極(飽和甘汞電極)浸入電解液中構(gòu)成三電極測(cè)試體系；

6)對(duì)基于MoS₂納米薄片的場(chǎng)效應(yīng)電催化產(chǎn)氫器件進(jìn)行原位電輸運(yùn)測(cè)試，即在不同的背柵電壓下(‐5‐5V)測(cè)試MoS₂納米薄片的電荷輸運(yùn)特性(如圖8)，發(fā)現(xiàn)MoS₂納米薄片的電導(dǎo)隨著背柵電壓的增大而增大(如圖9)，驗(yàn)證了場(chǎng)效應(yīng)對(duì)MoS₂納米薄片的導(dǎo)電性有促進(jìn)作用，同時(shí)說明了場(chǎng)效應(yīng)可能是通過影響電荷輸運(yùn)，改變MoS₂納米薄片的導(dǎo)電性，進(jìn)而影響MoS₂納米薄片的催化性能。