[發明專利]一種轉光增強型光催化復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201010291014.5
• 申請日: 2010-09-21
• 公開（公告）號: CN102064209A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 陸春華;倪亞茹;黃文娟;丁明燁;張其土;許仲梓
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01L31/0264
• 分類號: H01L31/0264;B01J27/24;B01J23/652;B01J23/648;C01B3/02
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域：

本發明涉及一種轉光增強型光催化復合材料及其制備方法，尤其是涉及一種利用紅外光譜轉換與高效耦合傳能作用增強光催化材料最佳光譜響應強度，并獲得優異光子轉換效率和太陽能利用率的新型光催化復合材料。

背景技術：

在解決全球性的能源和環境危機中，利用自然界豐富的太陽能光催化制氫作為是一條可持續發展的新能源途徑，正日益受到國際社會的高度關注，太陽能光催化制氫材料與技術已成為當前新能源技術領域的研究熱點和重點之一。

太陽能光催化制氫主要有太陽能光伏發電電解水制氫、太陽能熱化學分解水及生物質制氫、太陽能光催化分解水制氫等幾條途徑。其中，利用太陽能直接分解水制氫最具吸引力，高效、穩定的太陽光光催化材料已成為構建高效太陽能直接分解純水制氫(氧)系統裝置的′瓶頸″之一。

在高效、穩定的光催化材料研究方面，國內科研工作者開展了大量的基礎性研究工作。為了光催化材料的光譜響應能力，最大限度吸收利用太陽能，人們通常采用摻雜改性或者是開發新的材料體系來獲得禁帶寬度窄、吸收波長范圍寬的新型光催化半導體材料。但是，研究發現，伴隨著光催化材料光譜響應波長范圍的拓寬，光催化材料的光子轉換效率和太陽光能量吸收利用效率并沒有得到相應的改善，吸收的低能態光子能量對光催化材料光子轉換效率方面的影響并不顯著。與此同時，光催化材料的穩定也存在較大問題。到目前為止，現有的光催化材料還無法滿足大規模實用化的性能要求，必須發展新概念、新理論和新方法，以指導高效光催化體系的設計、合成及氧化-還原循環反應光催化體系的構建。

通過國內外文獻資料的了解，我們知道光催化效果好、性能穩定的光催化材料目前主要是一些在紫外、近紫外高能光子激發下響應好、光子轉換效率高的改性的或者是未改性的半導體氧化物、氮氧化物、氮化物材料，如C、N、B、摻雜TiO₂，TaON，Ta₂N₅、CNTs-Ta₃N₅、BiVO₄等等。通過射頻磁控濺射、脈沖激光沉積、液相沉積法、溶膠-凝膠等方法，可以將光催材料沉積在特定基體上制成光催化薄膜。紅外上轉換稀土功能材料通過雙光子、三光子等多光子過程將低能態紅外光子轉換為高能態可見、近紫外或者是藍綠光，主要是一些摻雜稀土敏化離子(主要是Yb³⁺)和發光離子(包括Er³⁺、Tb³⁺、Tm³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺等等)的氟化物、氟氧化物、硫化物、硫氧化物材料，可以制備成納米晶、透明玻璃或玻璃陶瓷復合材料。將透明紅外寬頻上光轉換材料與紫外、近紫外光作用下光譜響應好、光子轉換效率高、性能穩定的光催化半導體材料進行組成、結構和性能上的有效復合，利用紅外光譜轉換與膜層間的高效耦合傳能作用，完全有可能達到增強光催化材料光譜響應強度，獲得理想的光子轉換效率和太陽能利用率。到目前為止，這種集光轉換和光催化功能于一體的新型光催化復合材料還未見報道。

發明內容：

本發明的目的是為增強光催化材料的光催化響應光譜強度，使光催化材料獲得高的光子轉換效率、太陽能利用率及穩定性，滿足太陽光光催化材料的實用化需求，本發明提供了一種轉光增強型光催化復合材料，本發明的另一目的是提供了上述復合材料的制備方法。

本發明的基本原理是：以纖維狀、棒狀或管狀的透明紅外轉光材料為芯層材料，貴金屬復合改性的光催化半導體為催化膜層材料，采用特定的物理化學法，使透明紅外轉光芯層與催化膜層有效的結合在一起。透明紅外轉光材料可在很寬的范圍內吸收太陽入射光譜中的紅外光，并使得其的發射光譜處于光催化膜層的最佳響應光譜波長范圍內，芯層、膜層之間光能的高效傳輸與耦合，顯著增強了光催化膜層的光催化響應光譜強度，使得光催化復合材料同時具備高的光子轉換效率、高的穩定性和高的太陽能利用率。

本發明的具體技術方案為：一種轉光增強型光催化復合材料，其特征在于：光催化材料由透明紅外轉光芯層材料及其光催化膜層材料共同組成；其中，透明紅外轉光芯層材料為透明紅外轉光玻璃材料或透明紅外轉光玻璃薄膜復合材料；光催化膜層材料為貴金屬復合改性的光催化半導體材料；光催化膜層材料的膜層厚度為0.02～10μm。