[發(fā)明專利]一種納米半導(dǎo)體光催化劑及其制備方法

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• 申請日: 2019-04-29
• 公開（公告）號: CN110227492A
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳加藏;喬瑋
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所
• 主分類號: B01J27/04
• 分類號: B01J27/04;B01J23/52;B01J23/80;B01J27/051;B01J27/185;B01J27/24;B01J27/057;B01J27/224;B01J23/44;B01J35/02
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本發(fā)明提供一種納米半導(dǎo)體光催化劑及其制備方法，屬于光催化劑領(lǐng)域。本發(fā)明在納米半導(dǎo)體光催化劑表面構(gòu)筑具有電子隧穿功能的超薄電子媒介層，旨在降低納米半導(dǎo)體光催化劑與還原助催化劑間的電子轉(zhuǎn)移能耗，促進(jìn)界面電荷轉(zhuǎn)移，改善光催化性能。特別是，本發(fā)明由于構(gòu)筑了具有促進(jìn)電子隧穿功能的電子媒介層，降低界面電荷轉(zhuǎn)移能耗，可使光催化在弱光如太陽光下實現(xiàn)可觀的化學(xué)反應(yīng)速率。此外，本發(fā)明構(gòu)筑的電子媒介層，可使催化劑保持良好的穩(wěn)定性。本發(fā)明通過構(gòu)筑具有電子隧穿功能的電子媒介層，對于實現(xiàn)直接太陽光催化具有最大意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光催化劑領(lǐng)域，具體涉及一種納米半導(dǎo)體光催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

光催化是利用太陽能獲得清潔能源的理想途徑之一。納米半導(dǎo)體光催化劑在光催化反應(yīng)過程中存在電子-空穴復(fù)合嚴(yán)重、催化劑光腐蝕、電荷傳輸慢等問題，導(dǎo)致催化劑穩(wěn)定性差，光催化反應(yīng)效率低。目前研究通常采用導(dǎo)電（金屬）納米結(jié)構(gòu)、負(fù)載貴金屬催化劑來增強(qiáng)電荷傳輸或者促進(jìn)光生電荷的空間分離。具體結(jié)構(gòu)可參見附圖1，附圖1為現(xiàn)有負(fù)載還原助催化劑的納米半導(dǎo)體光催化劑的結(jié)構(gòu)示意圖。但是，半導(dǎo)體與金屬接觸產(chǎn)生能帶彎曲，并在接觸界面產(chǎn)生較大的勢壘，在由熱電子發(fā)射進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移時，光生電子需要克服能帶彎曲形成的勢壘，其界面電荷轉(zhuǎn)移能耗通常較大，動力學(xué)上抑制了界面電荷轉(zhuǎn)移，降低光生電荷分離效率，加劇光生電子—空穴復(fù)合，導(dǎo)致光催化反應(yīng)效率低。

發(fā)明內(nèi)容

針對背景技術(shù)提出的問題, 我們研究發(fā)現(xiàn)電子隧穿可有效降低電荷在金屬-半導(dǎo)體界面間轉(zhuǎn)移的能耗，即在半導(dǎo)體材料表面構(gòu)筑超薄電子媒介層，不僅可以鈍化半導(dǎo)體表面缺陷，還可以有效促進(jìn)界面電荷轉(zhuǎn)移并降低該電子過程的能耗。因此，在納米半導(dǎo)體光催化劑表面構(gòu)筑電子隧穿層，實現(xiàn)電荷在金屬-半導(dǎo)體界面間的低能耗轉(zhuǎn)移，可使光催化在弱光如太陽光下實現(xiàn)高效的化學(xué)反應(yīng)速率，提高太陽能利用效率。

在提高納米半導(dǎo)體光催化劑光催化性能中，引入電子媒介層，促進(jìn)電子隧穿，也為其它高性能半導(dǎo)體電極和光催化劑的設(shè)計提供一條重要的途徑。

一種納米半導(dǎo)體光催化劑,其包括納米半導(dǎo)體催化劑本體和附著在其表面的具有促進(jìn)電子隧穿功能的電子媒介層，在所述具有電子隧穿功能的電子媒介層上還負(fù)載有還原助催化劑。

優(yōu)選地，所使用的納米半導(dǎo)體光催化劑本體為金屬氧化物納米半導(dǎo)體、金屬硫化物納米半導(dǎo)體或金屬氮化物納米半導(dǎo)體。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述金屬氧化物納米半導(dǎo)體為Ti、Zn、Zr、W、V、Cu、Fe、Ce、Ta、In或Nb的含氧化物。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述金屬硫化物納米半導(dǎo)體為Cd、Zn、Cu、W、或Bi的含硫化合物。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述金屬氮化物納米半導(dǎo)體為Ti、Ga、Ge或Ta的含氮化合物。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述納米半導(dǎo)體催化劑本體為納米顆粒、納米片、納米管或納米棒中的一種或多種。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述具有促進(jìn)電子隧穿功能的電子媒介層的材料為半導(dǎo)體材料、其厚度為1-10nm。

進(jìn)一步優(yōu)選，上述還原助催化劑為：Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Ni中的一種或多種；或者Ni、Cu、Co、Mo、W金屬硫化物中的一種或多種；或者Ni、Co磷化物中的一種或多種。

本發(fā)明還提供了這種納米半導(dǎo)體光催化劑的制備方法，其包括如下步驟：

步驟1：將納米半導(dǎo)體光催化劑本體分散到溶劑中，形成分散液；

步驟2：在上述制備好的分散液中，滴加半導(dǎo)體材料的前驅(qū)體溶液，經(jīng)過熱處理，洗滌，干燥，得到表面具有促進(jìn)電子隧穿功能的電子媒介層的納米半導(dǎo)體光催化劑；

步驟3：負(fù)載還原助催化劑，將還原助催化劑負(fù)載在步驟2獲得的表面具有電子媒介層的納米半導(dǎo)體光催化劑表面。