Пористый кремний, полученный по методу восходящей сборки, может, под воздействием солнечной энергии, выделять водород из воды — таковы результаты работы группы исследователей из Пенсильвании, которые видят перспективы применения пористого кремния в батареях, биосенсорах, оптической электронике.
Стандартным методом для изготовления пористого кремния является метод вычитания, подобный процессу создания скульптуры. «Кремний является важным материалом, потому что это полупроводник, — говорит Дунгхай Ванг, доцент кафедры машиностроения. Как правило, пористый кремний получают путем травления, в процессе которого много материала теряется».
Группа Ванга использует метод химического накапливания материала, а не удаления его. Исследователи начинают работу с тетрахлорида кремния, очень недорогого источника кремния. После этого в процесс включается калий-натриевый сплав.
«Связь между кремнием и хлором в тетрахлориде кремния очень сильна и требует сильного восстановителя, — поясняет Ванг. — Сплав калия с натрием является нужным реагентом».
После того, как связи нарушены, хлор вступает в реакцию с натрием и калием. Образуется материал, состоящий из кристаллов соли, внедренных в кремний. Затем материал подвергают термообработке и промывают в воде для растворения соли, в результате чего образуются поры, размер которых варьируется от 5 до 15 нанометров. Исследователи сообщают о результатах работы в сегодняшнем, от 10 апреля, выпуске Nature Communications.
Поскольку калий-натриевый сплав химически активен и реакция должна быть проведена без участия кислорода, исследователи использовали камеру, наполненную аргоном.
«Я считаю, что процесс можно масштабировать до размера производства, — сообщает Ванг. — Уже существуют производства, использующие калий-натриевый сплав. Так что мы можем адаптировать свой подход, чтобы производить этот новый тип пористого кремния».
Поскольку частицы кремния имеют много пор, они имеют большую площадь поверхности и выступают в качестве эффективного катализатора, когда солнечный свет светит на пористый кремний, погруженный в воду. Энергия солнечного света воздействует на электроны, что приводит к выделению водорода. Этот процесс возможен из-за большей, чем обычно, ширины запрещенной (энергетической) зоны материала, которая возникает из наноразмеров кремниевого кристаллического блока.
Исследователи также рассматривают возможность использования пористого кремния в качестве анода в литий-ионном аккумуляторе.