[發明專利]一種Cu2

在審

• 申請號: 202010774171.5
• 申請日: 2020-08-04
• 公開（公告）號: CN111841609A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 程琳;王順利;鄭海紅;陳冠政
• 申請（專利權）人: 杭州紫芯光電有限公司
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J37/34;B01J35/10;B82Y30/00;B82Y40/00;C01B3/04;C25B11/06;C25B1/04
• 代理公司: 杭州敦和專利代理事務所(普通合伙) 33296
• 代理人: 姜術丹

一種可見光催化劑Cu₂O/C₃N₄/TiO₂異質結可見光催化劑的制備方法，所述制備方法包括：在FTO玻璃表面濺射一層Cu,通過電鍍氧化的方法得到Cu(OH)₂納米陣列，通過退火處理成Cu₂O納米陣列；并通過離心復合的方法，使C₃N₄與Cu₂O納米陣列復合，最后再濺射一層TiO₂,形成多級異質結，促進層間電子空穴的分離傳輸，進而提高光催化劑的催化性能，以及電極材料的穩定性。

技術領域

本發明屬于光電催化劑技術領域，具體涉及一種Cu₂O/C₃N₄/TiO₂異質結可見光催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著全球人口密度不斷增加，社會高速發展，人類對能源的需求也隨之日益增大。同時，煤炭、石油和天然氣等化石能源日漸枯竭，尋找新能源作為代替傳統化石能源，改變現有能源結構成為了二十一世紀人類面臨的重大挑戰。另外，隨著化石能源的過度使用，大量二氧化碳排放導致的溫室效應破壞著我們賴以生存的生態環境。因此，全世界的目光都聚焦在尋找著新型，低碳環保的可持續、可再生的清潔能源。在一次能源中，新一代可再生清潔一次能源主要包括：太陽能、風能、地熱能、生物質能、潮汐能等等。其中，太陽能不僅取之不盡用之不竭，且清潔、無碳、無污染，同時具有極高的理論能量潛力(1.2×105TW)，輻射地球一小時就能提供6.12×1017kJ的能量，足以滿足全球一年的能量消費總和。因此，太陽能被視作未來人類代替日漸枯竭的傳統化石能源的主要解決方案。

另一方面，氫能作為一種二次能源，也具有清潔、無碳、無污染的特點。不僅氫能本身具有很高的能量密度，并且隨著燃料電池技術的飛躍發展，氫能在近期也展現出驚人的研究與實用前景。目前工業制氫主要為通過將煤炭、天然氣、甲醇、氨氣等轉化而來，這些方法不僅對環境污染嚴重，同時也依賴于日漸枯竭的化石能源。因此，從20世紀中，科學家以植物的光合作用為靈感，提出了以太陽能為一次能源，分解水獲得氫氣為二次能源的未來能源結構構想。自1972年，日本科學家Honda與Fujishima發現了將二氧化鈦與鉑電極在電解池接通并施加一定的偏壓后，同時在紫外光的照射下，二氧化鈦電極發生了光電催化分解水的現象。這一體系被稱為光電化學池(Photoelectrochemical Cell)，在光電化學池中，二氧化鈦光電極作為電解池的陽極，鉑電極作為陰極，電解液為含有電解質的水溶液。在光電化學池中，光陽極發生氧化反應，產生氧氣，陰極發生還原反應，產生氫氣。在此之后，全世界科學家不斷的改進并完善了光電化學池，并發現了許多新型的納米光電極材料。

金屬氧化物半導體由于其低成本、高豐度和簡便的制備方法，在光催化和光電化學(PEC) 方法中都扮演著重要的角色。其中，Cu₂O是最有前途的材料之一，Cu₂O是一種具有優異性能的P型半導體材料，具備無毒，易制備等優點。其禁帶寬度為2.0左右，在理論上能夠吸收可見光進行光電催化反應，理論光電轉換效率能夠達到18％，其在水裂解反應中的PEC性能在所有氧化物中是最高的。

雖然Cu₂O具有良好的帶能位置可用于解水，但有兩個主要的挑戰阻礙了它作為高效持久的解水光電陰極的應用。第一個問題是穩定性，因為單價氧化銅還原和氧化的氧化還原電位在水裂解電位內，使材料在電解液中的光腐蝕比水裂解反應更有利。第二個問題是載流子擴散長度與光吸收深度的不利比。為了有效地吸收陽光，通常Cu₂O薄膜必須至少有1um厚。然而，根據合成方法的不同，少數載流子(電子)擴散長度被限制在約200nm或更少。這導致了光生載流子的收集效率低下，嚴重影響了Cu₂O的光電催化性能。