[發(fā)明專利]一種“芯片式”Z型光催化劑板及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110514454.0
• 申請(qǐng)日: 2021-05-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113209966B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-02-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫松;王雪;蔡夢(mèng)蝶;魏宇學(xué);郭立升
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/68
• 分類號(hào): B01J23/68;B01J23/52;B01J23/89;C01B3/04
• 代理公司: 合肥中悟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34191
• 代理人: 張婉

本發(fā)明公開(kāi)了一種“芯片式”Z型光催化劑板，產(chǎn)氫光催化劑HEP以陣列形式和產(chǎn)氧光催化劑OEP均勻互嵌錨定在電子介質(zhì)層基底上，形成均勻互嵌陣列“芯片式”Z型光催化劑板，本發(fā)明制備的“芯片式”Z型光催化劑板具有均勻的HEP、OEP分布且規(guī)則陣列錨定在電子介質(zhì)層M上，這種特殊的Z型光催化設(shè)計(jì)加快了電荷傳輸，且吸光性能顯著增強(qiáng)，有良好的光催化全解水產(chǎn)氫產(chǎn)氧反應(yīng)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光催化材料領(lǐng)域，具體涉及一種高效光催化全解水的均勻互嵌陣列“芯片式”Z型光催化劑板與應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著能源危機(jī)、氣候變化等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能因其清潔、可再生和可持續(xù)的性質(zhì)吸引了人們的關(guān)注，開(kāi)發(fā)一種高效、低成本的催化劑來(lái)加速光催化反應(yīng)對(duì)于清潔能源生產(chǎn)和環(huán)境修復(fù)是至關(guān)重要的，通過(guò)利用太陽(yáng)能全分解水產(chǎn)氫產(chǎn)氧是利用太陽(yáng)能作為可再生資源的重要途徑之一。“Z型反應(yīng)”體系是通過(guò)模擬自然光合作用通過(guò)有效地抑制電子空穴復(fù)合、更加寬的太陽(yáng)光吸收范圍和高氧化還原能力而被廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光全解水反應(yīng)。

在Z型光催化材料的研究中，前期主要是使用氧化還原電子對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子傳輸，這類離子態(tài)Z型光催化體系在光催化反應(yīng)過(guò)程中存在一系列問(wèn)題：1)氧化還原電對(duì)的副反應(yīng)(非循環(huán)電對(duì)反應(yīng))；2)氧化還原電對(duì)的吸光特性會(huì)降低半導(dǎo)體催化劑的光吸收；3)反應(yīng)條件苛刻：對(duì)pH、電勢(shì)等敏感；4)體系中HEP和OEP光催化劑懸浮在氧化還原電子介體溶液中，統(tǒng)計(jì)學(xué)上的碰撞機(jī)率導(dǎo)致光生載流子的傳遞與作用效率低。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究者們開(kāi)發(fā)了無(wú)氧化還原電對(duì)的Z型體系，即全固態(tài)Z型光催化懸浮液體系，全固態(tài)Z型光催化懸浮液體系利用催化劑間的直接或間接表面接觸實(shí)現(xiàn)電荷的高效傳輸，同時(shí)降低了副反應(yīng)的發(fā)生幾率，顯著提高了光催化效率。然而該類全固態(tài)Z型體系由于半導(dǎo)體和電荷傳輸介體之間不能保證良好的歐姆接觸，電荷傳輸效率受限，并且在粉末懸浮液體系中只有處于上方少部分光催化劑對(duì)光有吸收，下方顆粒光催化受遮光影響，導(dǎo)致光催化反應(yīng)效率仍然很低。

針對(duì)懸浮液體系存在的弊端，2016年Domen教授課題組取得了很大突破，研制出一種“粉末轉(zhuǎn)移(particle transfer)”Z型光催化劑板(SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo)，利用導(dǎo)電層作為HEP和OEP之間的電子介質(zhì)，大幅提升了全解水反應(yīng)性能。但是，其體系仍有一定的局限性，HEP、OEP的分布仍比較隨機(jī)不夠均勻，致使Z型光催化劑板上的光生載流子快速分離和轉(zhuǎn)移受阻，同時(shí)可能會(huì)有少量的HEP、OEP呈多層分布，致使光吸收性能受限，因此，開(kāi)發(fā)新型Z型光催化體系尤為重要。

本發(fā)明提出的一種用于高效光催化全解水的均勻互嵌“芯片式”Z型光催化劑板可有效解決這一問(wèn)題，通過(guò)對(duì)負(fù)載電子介質(zhì)的HEP芯片式刻蝕直至介質(zhì)層，再在通道內(nèi)定向生長(zhǎng)OEP，將HEP和OEP規(guī)則錨定在導(dǎo)電基底上，顯著改善載流子傳輸效率低、HEP和OEP分布不均勻、吸光效率低等一系列問(wèn)題，為緩解溫室效應(yīng)引起的全球氣候變化并取代人們對(duì)化石燃料的依賴提供了一個(gè)重要途徑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種高效光催化全解水的均勻互嵌陣列“芯片式”Z型光催化劑板與應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種“芯片式”Z型光催化劑板，產(chǎn)氫光催化劑HEP以陣列形式和產(chǎn)氧光催化劑OEP均勻互嵌錨定在電子介質(zhì)層基底上，形成均勻互嵌陣列“芯片式”Z型光催化劑板。

所述產(chǎn)氫光催化劑HEP的陣列是由芯片光刻蝕法、微通道刻蝕、AAO反蛋白石模板法、納米線陣列等制備方法獲得。

所述產(chǎn)氧光催化劑OEP由化學(xué)定向劑板通過(guò)原位生長(zhǎng)、噴涂、滴涂等方法獲得。

所述電子介質(zhì)層可以為Au、Ag、Pt、Pd、Cd等中的任意一種。

所述電子介質(zhì)層可以由磁控濺射、激光脈沖沉積、熱蒸鍍等方法獲得。