[發明專利]光催化劑和光催化劑薄膜及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201710287655.5
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號: CN108786806B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 于欣;李琳琳;王舒;王中林
• 申請（專利權）人: 北京納米能源與系統研究所
• 主分類號: B01J23/66
• 分類號: B01J23/66;B01J27/04;B01J37/34;B01J37/10;C02F1/50;A61L31/08;A61L31/14
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 韓冰;嚴政

本發明公開了一種光催化劑和光催化劑薄膜及其制備方法與應用。其中光催化劑包括：芯部、中間層和外層；所述芯部包括第一半導體材料；所述中間層包覆在所述芯部的外周，其中包括壓電材料；所述外層負載在所述中間層的外周，其中包括第二半導體材料和/或具有表面等離子體效應的金屬納米顆粒，所述第二半導體材料和所述第一半導體材料相同或不同。該光催化劑通過在包括第一半導體的芯部和包括第二半導體和/或具有表面等離子體效應的金屬納米顆粒的外層之間形成壓電材料，并對壓電材料進行可選的極化處理，實現光生載流子的定向傳輸的效果，以進一步提高所制備的該催化劑的光催化殺菌效率。

技術領域

本發明涉及光催化反應領域，具體地，涉及一種光催化劑和光催化劑薄膜及其制備方法與應用，還涉及一種TiO₂/BaTiO₃/Au光催化劑薄膜的制備方法。

背景技術

目前人們致力于將光催化技術應用于水處理方面，并且研發了多種光催化殺菌半導體材料。二氧化鈦作為一種性能穩定高效光催化劑，具有價格低廉，化學性質穩定，無毒無腐蝕等優點，使其成為目前研究最為深入和廣泛的半導體材料之一。但是其作為新功能材料的研發，也面臨很多局限性，如催化效率(殺菌效率)不高、只能利用紫外光，或者催化劑失活等。基于此，開發和構建新型異質結構已成為目前獲得高性能光催化材料的重要手段。

光催化半導體材料按照載流子特征可分為n型半導體和p型半導體。將不同類型的半導體材料復合可制得不同類型復合光催化劑，主要復合類型有n-n型、p-p型和p-n型。其中p-n異質結不但能夠通過敏化作用擴展寬帶隙半導體的波長范圍，而且能夠通過內建電場抑制載流子復合，大幅度提高材料的光催化性能，因此備受國內外廣泛關注。但是，p-n形成的內建電場，盡管可以實現光生載流子的分離，但固定的內建電場的分離作用，會隨著光催化過程的進行，p-n結兩端電場兩極部分電荷積累，逐漸降低電荷分離作用，從而抑制了電荷的分離，降低光催化(殺菌)性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種光催化劑和光催化劑薄膜及其制備方法與應用，以改善光催化劑的殺菌效果。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種光催化劑，該光催化劑包括：芯部、中間層和外層，所述芯部包括第一半導體材料；所述中間層包覆在所述芯部的外周，所述中間層包括壓電材料；所述外層負載在所述中間層的外周，所述外層包括第二半導體材料和/或具有表面等離子體效應的金屬納米顆粒，所述第二半導體材料和所述第一半導體材料相同或不同。

根據本發明的第二個方面，提供了一種光催化薄膜，該光催化薄膜包括導電基板和以陳列形成在所述導電基板上的光催化劑，所述光催化劑為根據本發明所述的光催化劑，所述光催化劑中芯部與所述導電基板相連

根據本發明的第三個方面，提供了一種根據本發明上述光催化劑的制備方法，該制備方法包括：S1、提供包括第一半導體材料制備的芯部；S2、在所述芯部的外周包覆形成包括壓電材料的中間層，得到中間體；S3、在所述中間體的外周形成包括第二半導體材料和/或具有表面等離子體效應的金屬納米顆粒的外層，得到所述光催化劑，所述第二半導體材料和所述第一半導體材料相同或不同。

根據本發明的第四個方面，提供了一種TiO₂/BaTiO₃/Au光催化劑的制備方法，該制備方法包括：S1、在導電基板上生長TiO₂納米線陣列；S2、配制含有氫氧化鋇與四丁基氫氧化銨的原料混合液，在化學合成反應條件下，將形成有TiO₂納米線陣列的導電基板置于所述原料混合液中，以在各TiO₂納米線的外周形成BaTiO₃包覆層，得到生長有中間體陣列的導電基板；S3、將生長有中間體陣列的導電基板置于磁控濺射裝置中，通過磁控濺射法在各中間體上形成金納米顆粒外層，得到生長有光催化劑陣列的導電基板；優選進一步對生長在導電基板上的光催化劑的外層進行還原處理。

根據本發明的第五個方面，提供了一種根據本發明上述的光催化劑或光催化劑薄膜在水處理殺菌中的應用。