[發明專利]一種光催化系統、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 201810681760.1
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN108906079B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 孫松;宋治敏;洪賓;鮑駿;高琛
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: B01J27/04
• 分類號: B01J27/04;B01J23/66;B01J21/06;C01B3/04;C02F1/30;C10L3/00;C02F101/10;C02F101/34;C02F101/36;C02F101/38;C02F101/30
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• 代理人: 張雪嬌;趙青朵

本發明提供了一種光催化系統，其特征在于，包括依次設置：非易失性極化場層、導電層與光催化劑層；所述非易失性極化場層由鐵電材料在外加電場極化作用后得到。與現有技術相比，本發明提供的光催化系統中非易失性極化場層具有非易失性極化場電場，在該電場的作用下，光催化劑層產生的電子和空穴可定向遷移，從而實現了高效分離，進而使光催化系統具有高效的光催化活性，也避免了光催化劑與自身光生電子和空穴的作用，提高了光催化劑的穩定性。

技術領域

本發明屬于光催化能量轉換技術領域，尤其涉及一種光催化系統、其制備方法及應用。

背景技術

能源短缺和環境污染是當前人類生存所面臨的重大挑戰。一方面，全球的能源消耗在過去20年里增長了50％；另一方面，農藥殘留、印染廢料、揮發性有機污染物(VOCs)，以及化石資源燃燒所釋放的CO₂(溫室效應)、SO₂(酸雨)等有害液、氣相污染物引起的環境問題已經嚴重影響到人類的生存與健康。對于我國而言，能源緊缺、能源結構性矛盾短期內難以改變。經濟快速增長的同時伴隨著化石能源的急劇消耗，也致使我國成為全球CO₂排放量是最多的國家。因此，開發潔凈的可再生能源和環境保護技術迫在眉睫。

光催化可以將低密度的太陽能轉化為高密度的化學能(分解水制氫、還原二氧化碳制燃料等)，同時可以直接利用低密度的太陽能降解氣、液相中的各種有機污染物，甚至還原重金屬離子。該技術具有在室溫下反應、直接利用太陽能、無二次污染等優點，對于從根本上解決能源短缺和環境污染問題具有不可估量的意義。

光催化劑在能量等于或大于其禁帶寬度的光照射時，其價帶上的部分電子就會被激發并躍遷到導帶，從而在導帶和價帶分別形成光生電子和空穴(也稱光生載流子)。分別具有強還原和氧化能力的光生電子和空穴遷移到光催化劑表面，可以與吸附在其表面的分子(H₂O、OH-、O₂、有機物等)發生能量和電荷交換，產生具有氧化/還原能力的物種(·OH、H₂O₂、O2-等)，這些物種是進一步參與化學反應的主要活性物質。光生電子和空穴也可直接與反應物質作用，生成目標產物。例如，以目前使用最廣泛的光催化材料TiO₂為例，其光生電子能還原半導體表面的電子受體H2O，生成氫氣；光生空穴能氧化H₂O，生成氧氣；TiO₂表面所負載的Pt、RuO₂等貴金屬或金屬氧化物則能加速電子或空穴向外部的遷移，促進氫氣或氧氣的生成。因此，要獲得高的光催化性能，就需要實現載流子有效分離，即抑止電子-空穴對的復合，使載流子在其生命周期內達到活性部位參與氧化還原反應。目前已報道了多種促進載流子分離的手段，如構建p-n結、異相結，光催化劑的復合、摻雜、敏化等。然而光催化劑的太陽能轉化效率仍然較低，急需發展更高效的光生載流子分離方法和相應的光催化劑制備技術。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種極化場耦合、結構穩定并具有高活性的光催化系統、其制備方法及應用。

本發明提供了一種光催化系統，包括依次設置：非易失性極化場層、導電層與光催化劑層；所述非易失性極化場層由鐵電材料在外加電場極化作用后得到。

優選的，所述非易失性極化場層的厚度為0.5～1mm；所述導電層的厚度為15～200nm；所述光催化劑層的厚度為20～600nm。

優選的，所述鐵電材料選自鈮鎂酸鉛系鐵電材料、鈦酸鉍或鋯鈦酸鉛；所述導電層選自Au、Ag、Cu與In中的一種或多種；所述光催化劑層選自CdS和/或TiO₂。

本發明還提供了一種光催化系統的制備方法，包括：

提供鐵電襯底；所述鐵電襯底由鐵電材料形成；

在所述鐵電襯底上生長導電層；