[發明專利]光催化結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201910075219.0
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN111482149A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 王營城;金元浩;肖小陽;張天夫;李群慶;范守善
• 申請（專利權）人: 清華大學;鴻富錦精密工業（深圳）有限公司
• 主分類號: B01J19/12
• 分類號: B01J19/12;B01J19/08;B01J8/00;C02F1/30;C02F101/36;C02F101/38
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本發明涉及一種光催化結構，該光催化結構包括一基板、一光催化活性層、以及一金屬層。所述基板、光催化活性層和金屬層依次層疊設置。所述基板包括一基底以及多個設置于該基底上的圖案化的凸起。所述圖案化的凸起包括多個凸條交叉設置形成網狀結構，從而定義多個孔洞。所述多個凸條的交叉處為一體結構。所述光催化活性層設置在圖案化的凸起的表面。所述金屬層包括多個納米顆粒，所述納米顆粒設置在光催化活性層遠離所述基板的表面。

技術領域

本發明涉及光催化及光電催化技術領域。

背景技術

光催化技術是指光催化劑在能量大于其禁帶寬度的入射光照射下，產生具有很強還原性和氧化性的光生電子-空穴對，這些電子-空穴對可以與光催化結構表面吸附的物質發生氧化還原反應。光催化的潛在應用主要分布在以下幾個領域：光分解水產生氫氣、人工光合作用、光氧化或分解有害物質、光電化學轉化和光致超親水性等。二氧化鈦作為一種光催化結構具有耐酸性好，對生物無毒且具有較大的資源儲量等優點，因此成為研究最為廣泛的光催化結構。但是由于二氧化鈦的禁帶寬度較大，基本上只能吸收紫外光，而紫外光只占太陽光中的4％左右，太陽光中占較大比例的可見光不能夠利用。而且現有技術中，二氧化鈦對紫外光的吸收能力也有限的，對紫外光的利用也不能達到100％。因此人們致力于對二氧化鈦進行改性，以期提高二氧化鈦對太陽光的利用率。

光電催化是指將光催化結構固定在導電的金屬上，同時，將固定后的光催化結構作為工作電極，采用外加恒電流或恒電位的方法迫使光致電子向對電極方向移動，因而與光致空穴發生分離。

發明內容

有鑒于此，確有必要提供一種能夠提高太陽光利用率的光催化結構。

一種光催化結構，該光催化結構包括一基板、一光催化活性層、以及一金屬層；所述基板、光催化活性層和金屬層依次層疊設置；所述基板包括一基底以及多個設置于該基底上的圖案化的凸起；所述圖案化的凸起包括多個凸條交叉設置形成網狀結構，從而定義多個孔洞；所述多個凸條的交叉處為一體結構；所述光催化活性層設置在圖案化的凸起的表面；所述金屬層包括多個納米顆粒，所述納米顆粒設置在光催化活性層遠離所述基板的表面。

一種光催化結構的制備方法，包括以下步驟，提供一基板；提供一具有多個微孔的碳納米管復合結構，該碳納米管復合結構包括一碳納米管結構以及一包覆于該碳納米管結構表面的保護層，且該碳納米管結構包括多個交叉設置的碳納米管；將所述碳納米管復合結構設置于所述基板的一表面，從而使得所述基板的表面部分暴露；以該碳納米管復合結構為掩模干法刻蝕所述基板，從而得到一具有圖案化的凸起的基板，且該圖案化的凸起包括多個交叉設置的凸條；在所述圖案化的凸起的表面沉積一光催化活性層；在所述光催化活性層遠離所述基板的表面沉積一金屬預制層；對上述金屬預制層進行退火處理。

相較于現有技術，本發明提供的光催化結構及其制備方法具有以下優點：第一，光催化活性層設置在圖案化的凸起的表面，而圖案化的凸起包括多個凸條交叉設置形成網狀結構，圖案化的凸起可以增加比表面積，提高對反應物的吸附能力；第二，基于表面等離激元的金屬納米顆粒設置于所述光催化活性層的表面，在外界入射光電磁場的激發下，金屬表面等離子體發生共振吸收，一方面由局域表面等離激元共振效應激發的電子處于激發態，能夠通過弛豫過程越到二氧化鈦導帶上；另一方面通過能量或者電荷載流子的轉移，表面等離激元共振還能通過抑制電子空穴對的復合率激發更多的自由電子，提升二氧化鈦導帶中的電子數量，從而提高對可見光的吸收和利用率；第三，通過調節碳納米管膜的層數和交叉方式可以控制基板的圖案化結構，進而可以控制二氧化鈦與金屬的復合結構，從而控制對特定波段可見光達到最大吸收。

附圖說明

圖1為本發明第一實施例提供的光催化結構的結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例提供的光催化結構沿Ⅱ-Ⅱ方向的剖視圖。

圖3為本發明第一實施例提供的光催化結構的制備方法流程圖。