[發明專利]一種基于金屬-半導體復合結構的光催化材料及其制備方法與磁場輔助應用

有效

• 申請號: 202011485680.2
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN113145133B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 桑元華;高文強;王曉寧;崔超;趙曉蕾;張珊;王書華;王建軍;劉宏
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B01J27/04
• 分類號: B01J27/04;B01J27/051;B01J35/00;C01B3/04
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 張宏松

本發明涉及一種基于金屬?半導體復合結構的光催化材料及其制備方法與磁場輔助應用，本發明將不同形貌的金屬(金(Au)納米棒、納米顆粒、銀(Ag)納米線、鉬(Mo)納米片等)與半導體光催化劑硫化鎘納米顆粒構建得到金屬/半導體復合結構的光催化材料，該光催化材料通過外部磁場輔助，在磁場中通過切割磁感線在金屬導體中產生感應電勢，來促進半導體光生載流子的分離，提高半導體光催化性能。

技術領域

本發明涉及一種基于金屬-半導體復合結構的光催化材料及其制備方法與磁場輔助應用，屬于光催化材料技術領域。

背景技術

半導體光催化劑是一種具有極大潛力來實現從太陽能到化學能轉化的可持續技術。制備具有高效的光催化性能的光催化劑仍然是一個熱門的研究領域。除了改善光吸收，抑制光生載流子的復合也是目前一個巨大的挑戰。通常來說，在光催化劑中內建電場的構建是一個關鍵的策略來抑制光生電荷的重結合并促進載流子的輸運。實現這一目的最重要的方法有：基于肖特基異質結、p-n結、能帶結構的匹配構建半導體異質結，這樣可以在異質結構的界面處產生實現載流子分離的內建電場，然而，這是由材料的固有性質決定的，效率相對較低。引入外場被認為是人為實現可控和高效載流子分離的重要途徑。通過在電極上的外加電場可以實現光生載流子的顯著提高。但是，對于施加外部電場，將光催化劑固載到電極上是必要的途徑。因此對于光催化劑，良好的導電性和半導體性能的要求限制了催化劑層在電極上的厚度。同時，還需要一個外部循環的電路，這會導致體系更加復雜。同時這些要求限制了再外加電場體系中光催化劑的負載量，雖然光電化學效率實現了顯著地提高，但是光催化劑整體效率不足。

相比之下，對于具有較高光催化活性的粉體光催化劑，促進光生載流子分離的途徑不是通過連接到外部電路來實現的。因此，大多數研究都集中在異質結構的構建上，在異質結構界面處產生內建電場，提供促進光生載流子分離的驅動力。無線電場的應用一直是一個巨大的挑戰。幸運的是，存在特定的納米材料在合適的條件下產生電勢。通過將這些特殊的材料與光催化劑相結合，所提供的電勢作為伴隨電勢的供應與光催化劑一起分散在水中。因此，這可以提供促進粉體光催化劑載流子分離所需的電場。

磁場感應電流廣泛應用于我們的日常生活中，那些可以產生磁電勢的納米材料可以潛在的作為提供無線電場源與光催化劑相結合。根據法拉第電磁感應原理，垂直于磁場方向運動的金屬基納米材料能夠產生感應電動勢。微觀描述是在垂直于磁場方向運動的金屬導體，在切割磁感線的過程中其內部的自由電子受到洛倫茲力的作用發生極化。通過能產生磁電勢的金屬材料與半導體光催化劑復合促進半導體光生載流子的分離，在此基礎上，有望大幅度提高光催化性能。

經檢索，將產生磁電勢的金屬材料與半導體光催化劑復合得到光生載流子分離率高、光催化性能高的催化材料還未見相關報道。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種基于金屬-半導體復合結構的光催化材料及其制備方法與磁場輔助應用。

本發明將不同形貌的金屬(金(Au)納米棒、納米顆粒、銀(Ag)納米線、鉬(Mo)納米片等)與半導體光催化劑硫化鎘納米顆粒構建得到金屬/半導體復合結構的光催化材料，該光催化材料通過外部磁場輔助，在磁場中通過切割磁感線在金屬導體中產生感應電勢，來促進半導體光生載流子的分離，提高半導體光催化性能。

本發明的技術方案如下：

一種基于金屬-半導體復合結構的光催化材料,所述的光催化材料為不同形貌的金屬與半導體光催化劑構建的復合結構材料，復合結構材料為半導體光催化劑均勻包覆在金屬表面的核殼結構，半導體光催化劑均勻原位生長在金屬上，所述的金屬為金(Au)、銀(Ag)或鉬(Mo)，半導體光催化劑為硫化鎘納米顆粒。

根據本發明優選的，金(Au)的形貌為納米棒或納米顆粒，納米棒的長度為40-50nm，納米顆粒的大小為40-50nm。

根據本發明優選的，銀(Ag)的形貌為納米線，納米線長度為200-300nm。