一种复合材料及其复合基底

1.本发明涉及光电材料领域，具体涉及一种复合材料及其复合基底。


背景技术：

2.光电催化作为一种高效绿色的方法，在光化学合成高附加值化合物、光电催化制氢和光电催化降解水中有害污染物等应用中有着广阔的前景。相比于均相催化或者分散在水等溶剂中粉末多相催化，光电催化一般生长在导电基底上，利于在反应过后回收。常见的导电基底主要有金属以及导电氧化物两种。其中二氧化锡(sno2)是一种对可见光透明的宽带隙氧化物半导体，禁带宽度在3.7～4.0之间，具有正四面体金红石结构。在进行氟掺杂或者与氧化铟混合后，所合成薄膜具有紫外吸收系数大、电阻率低、化学性能稳定以及室温下抗酸碱能力强等优点，在光电催化以及太阳能电池领域中被广泛使用。然而由于其极其宽的带隙，使得此类以二氧化锡或氧化铟为主要成分的导电基底，只能对紫外区域进行响应，无法协助光电材料扩宽光吸收。


技术实现要素：

3.根据第一方面，在一实施例中，提供一种复合材料，包括依次沉积的光反射层、光吸收层、保护层。
4.根据第二方面，在一实施例中，提供一种复合基底，包含第一方面所述复合材料。
5.依据上述实施例的复合材料及其复合基底，红外光具有较强的透射率，光反射层可以通过反射红外光，降低红外透射率，帮助上层的金属层进一步吸收红外光，光吸收层可以通过表面等离子体效应实现对光的宽谱吸收与转化，保护层具有高光透过率，利于红外的穿透。该复合材料显著增强了对红外区域的光吸收。
附图说明
6.图1为现有的导电基底结构示意图。
7.图2为对比例1中氟掺杂二氧化锡在玻璃基底上的光吸收曲线图。
8.图3为对比例2中氧化铟锡在玻璃基底上的光吸收曲线图。
9.图4为实施例1的金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底的制备流程图。
10.图5为实施例1的纳米金属镍(左上图)以及氧化铟锡(右上图)的表面电镜图，以及金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底的截面图像(左下图)和对应的元素分布谱图(右下图)。
11.图6为实施例1的金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底的光吸收谱图。
12.图7为实施例1的金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底以及普通的氧化铟锡导电基底的表面温度随时间的变化曲线图。
具体实施方式
13.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式
中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
14.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
15.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。
16.如本文所用，“红外光”亦称红外线，红外线(infrared，ir)是频率介于微波与可见光之间的电磁波，是电磁波谱中频率为0.3thz～400thz，对应真空中波长为1mm～750nm辐射的总称。它是频率比红光低的不可见光。
17.如本文所用，“紫外光”是电磁波谱中波长从0.40～0.01微米辐射的总称。
18.现有的商业化导电基底主要以宽带隙导电氧化物为主，其主要成分结构为单一的高掺杂氧化锡薄膜，常见有氧化铟锡以及氟掺杂氧化锡。为了具有一定的机械硬度，其通常沉积在透明玻璃上，其一般性结构示意图如图1所示。其他现有基于单一掺杂二氧化锡成分的导电基底结构与此类似，均采用掺杂二氧化锡与玻璃的复合结构，只是对二氧化锡的掺杂元素有所区别，以及玻璃的成分可以为钠玻璃、钾玻璃等，均存在对红外区域的光吸收较弱的问题。
19.根据第一方面，在一实施例中，提供一种复合材料，包括依次沉积的光反射层、光吸收层、保护层。红外光具有较强的透射率，光反射层可以减少红外光的透射，帮助上层的金属层进一步吸收红外光，光吸收层可以通过表面等离子体效应实现对光的宽谱吸收与转化，保护层具有高光透过率，方便红外的穿透。
20.在一实施例中，所述保护层包括但不限于氧化铟锡、氟掺杂二氧化锡中的至少一种。
21.在一实施例中，氧化铟锡、氟掺杂二氧化锡均可以从市场上购买得到。氧化铟锡(ito)的cas登录号为50926-11-9，分子式为in2o5sn。所述氧化铟锡中，氧化铟(in2o3)的原子百分比为90％，二氧化锡(sno2)的原子百分比为10％。
22.在一实施例中，所述氟掺杂二氧化锡中，氟的原子百分含量为0.1～0.5％，包括但不限于0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％。
23.在一实施例中，所述光吸收层包含镍。
24.在一实施例中，所述光反射层包括红外反射层，用于反射红外光。
25.在一实施例中，所述光反射层包含金。
26.在一实施例中，所述光反射层的厚度为50～100nm，包括但不限于50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm。
27.在一实施例中，所述光吸收层的厚度为800～1000nm，包括但不限于800nm、900nm、
1000nm。
28.在一实施例中，所述保护层的厚度为80～100nm，包括但不限于80nm、90nm、100nm。
29.在一实施例中，所述光吸收层含有的金属颗粒粒径可以为10～100nm，包括但不限于10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm。
30.在一实施例中，所述沉积包括但不限于物理沉积、化学沉积中的至少一种。
31.在一实施例中，所述物理沉积包括物理气象沉积。
32.根据第二方面，在一实施例中，提供一种复合基底，包含第一方面所述复合材料。
33.在一实施例中，还包括基底，所述反射层位于所述基底的至少部分表面。
34.在一实施例中，所述基底包括但不限于玻璃。
35.在一实施例中，所述基底的厚度为0.5～5mm，包括但不限于0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm。
36.根据第三方面，在一实施例中，提供第二方面所述复合基底的制备方法，包括：在基底上依次沉积光反射层、光吸收层、保护层，制得所述复合基底。
37.在一实施例中，所述光反射层是通过蒸镀法沉积至所述基底的至少部分表面。
38.在一实施例中，所述光吸收层是通过电镀法沉积至所述光反射层的至少部分表面。
39.在一实施例中，所述保护层是通过磁控溅射的方式沉积至所述光吸收层的至少部分表面。
40.在一实施例中，通过蒸镀法在所述基底的至少部分表面沉积光反射层时，蒸镀的功率为150～160w，蒸镀是在真空环境下进行，蒸镀速率为
41.在一实施例中，通过电镀法在所述光反射层的至少部分表面沉积光吸收层时，使用的电镀液中含有ni(no3)2、nicl2中的至少一种。
42.在一实施例中，所述电镀液中还含有kcl、nacl中的至少一种。
43.在一实施例中，每100毫升电镀液中含有5.6～6.0g nicl2以及8.9～9.1g nacl。
44.在一实施例中，电镀时，电镀液的温度为40～45℃，电流为2.6～3.0ma/cm2，沉积时间为1.5～2min。
45.在一实施例中，磁控溅射时，载气氛围为氩气与氧气的混合气。
46.在一实施例中，磁控溅射时，温度为35～40℃，功率为70～80w，载气氛围为ar/o2＝30/1(体积比)，压强为0.5～0.8pa，时间为20～25mins。
47.传统商业化的掺杂二氧化锡透明导电基底只能对紫外光区域吸收，只能在钙钛矿电池领域作为窗口材料过滤紫外线，对更长波段的入射光则显得束手无策。为解决该问题，在一实施例中，本发明进一步引入纳米金属镍颗粒到二氧化锡/玻璃基底中，纳米镍颗粒的等离子体效应实现基底对红外光的吸收与转化。通过在镍颗粒下方进一步引入金反射层，进一步增强了对红外区域的光吸收。最终制得一种金/纳米镍/氧化铟锡叠层光热基底。
48.在一实施例中，本发明提供的基于纳米镍金属颗粒的导电基底的优势包括：1.是一种具有宽广的光吸收区域，能够高效地将红外光转化为热并且传导到表面的光电材料。2.化学稳定性好。3.耐高温，耐酸碱腐蚀，适用于各种催化反应与合成条件。
49.在一实施例中，图4所示为基于纳米镍金属的叠层光热基底的合成流程图。基于纳米金属镍颗粒复合光热基底的制备方法包括以下步骤：
50.(1)制作最底层的红外反射层。将具有高红外反射率的薄膜材料沉积在玻璃基底的上表面。该材料要求对红外光具有较强的反射率，可以帮助上层的镍颗粒进一步吸收红外光。该层的材料可以选择金或者其他具有较强的红外反射能力的致密层。
51.(2)具有表面等离子效应的纳米金属镍颗粒的沉积。在符合上述要求的玻璃/红外反射层上进一步沉积一层纳米镍金属颗粒。该步骤可以通过电镀或者水热法实现。合成的纳米镍具有10～100纳米的颗粒尺寸，可以通过表面等离子体效应实现对光的宽谱吸收与转化。
52.(3)表面保护层的沉积。将一层具有高稳定性、抗酸碱腐蚀的氧化物进一步沉积在上述合成的玻璃/红外反射层/纳米镍层的外层。该氧化物具有高光透过率，方便红外的穿透。在一实施例中，可采用氧化铟锡。其他具有相似性质的氧化物也可以被采用。
53.实施例1
54.本实施例的基于纳米镍金属的叠层光热基底的制备方法如下：
55.第一步，通过金属源蒸镀法将金蒸镀到玻璃(本实施例具体为fto，即掺杂氟的sno2导电玻璃)上，厚度约为100纳米，制得玻璃/金复合电极。蒸镀的功率约为150w，真空度为10-4
pa，蒸镀速率为
56.第二步，将制备好的玻璃/金复合电极浸入到电镀液中，通过电沉积合成纳米金属镍颗粒。电镀液的组成如下：每100毫升电镀液中含有5.6g氯化镍(nicl2)以及8.9g氯化钠(nacl)，余量为水。电镀条件如下：水温为40℃，沉积时间为2分钟，电流为2.6ma/cm2。沉积结束后，用去离子水多次清洗，并在氮气保护下干燥。
57.第三步，通过磁控溅射沉积氧化铟锡，形成的铟掺杂二氧化锡层作为最外层的保护层。
58.磁控溅射时，温度为40℃，功率为70w，载气氛围为ar/o2＝30/1(体积比)，压强为0.8pa，时间为20mins。
59.本实施例制得的叠层光热基底的形貌结构见图5。图5中，左上图为纳米金属镍的表面电镜图，右上图为氧化铟锡的表面电镜图，左下图为金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底的截面图像，右下图为对应的元素分布谱图。
60.本实施例使用的氧化铟锡(ito)的cas登录号为50926-11-9，分子式为in2o5sn。氧化铟锡(ito)中，氧化铟(in2o3)的原子百分比为90％，二氧化锡(sno2)的原子百分比为10％。
61.图5中，ito是指氧化铟锡层。fto是指掺杂氟的sno2导电玻璃(sno2:f)。
62.图6所示为金/纳米金属镍/氧化铟锡基底的光吸收谱图。可见，本实施例制得的金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底结构最大的特点是可以实现宽谱的吸收。
63.本实施例的金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底，区别于普通的透明氧化物基底，可以实现对入射光的宽谱吸收以及光热转化。
64.对比例1
65.本对比例参照实施例1进行，不同之处在于，只在玻璃基底上通过磁控溅射的方式沉积氟掺杂二氧化锡(氟在氟掺杂二氧化锡中的原子百分比为0.3％)。如图2所示为氟掺杂二氧化锡在玻璃基底上的光吸收曲线。可见，基于单一导电氧化物成分的导电基底，由于氟掺杂二氧化锡具有极其宽的带隙，导致此类导电基底只能吸收部分紫外光，对更长波段的
入射光没有响应。
66.对比例2
67.本对比例参照实施例1进行，不同之处在于，不沉积金层以及纳米金属镍层，只在玻璃基底上沉积氧化铟锡，沉积氧化铟锡的具体方法参照实施例1进行。如图3所示为氧化铟锡在玻璃基底上的光吸收曲线。可见，由于二氧化锡以及氧化铟具有极其宽的带隙，导致此类导电基底只能吸收部分紫外光，对更长波段的入射光没有响应。
68.图7所示为实施例1制得的金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底(au/ni/ito)以及对比例2制得的普通的氧化铟锡导电基底(ito glass)的表面温度随时间的变化曲线。可见，在经过长时间的照射后，实施例1制得的金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底表面温度可以达到60℃以上。实施例1制得的复合光热基底极大地拓宽了光电催化的光吸收，并且可以将红外光转化为热，加热表面光电材料。而普通的氧化铟锡导电基底的表面温度只能达到35.5℃。
69.在一实施例中，金/纳米金属镍/氧化铟锡光热基底中的金作为反射层，表面氧化铟锡作为保护层，是可以被其他相似材料取代的，本基底的核心在于纳米金属镍的制备与合成。利用不同成分的光反射材料以及导电氧化物亦能达到本发明的目的，在本发明的保护范围内。
70.目前尚无能够实现光热转化的导电基底，因此，在一实施例中，本发明提供一种金/纳米金属镍/氧化铟锡，是一种具有反射层/纳米金属镍/透明导电氧化物类似结构的能够实现光热转换的导电基底。
71.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。