[發(fā)明專利]具有內(nèi)建電場(chǎng)的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210337683.4
• 申請(qǐng)日: 2022-03-31
• 公開（公告）號(hào): CN114682242A
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭勇;王繼澤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J21/06
• 分類號(hào): B01J21/06;B01J27/135;B01J27/24;B01J35/00;B01J35/10;C01B32/40;C25B1/23;C25B1/55;C25B11/055;C25B11/069;C25B11/091
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發(fā)明涉及一種具有內(nèi)建電場(chǎng)的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件，包括依次疊層設(shè)置的基板、導(dǎo)電層、第一光催化層以及介孔層，介孔層中填充有第二光催化層，第二光催化層材料的導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂均高于第一光催化層中的光催化材料，且第二光催化層材料的禁帶寬度小于第一光催化層。還提供一種具有內(nèi)建電場(chǎng)的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件的制備方法。本發(fā)明在不額外消耗外來(lái)能量的條件下，通過構(gòu)建內(nèi)建電場(chǎng)解決光生電荷無(wú)序移動(dòng)易復(fù)合的問題，提高了太陽(yáng)燃料器件的轉(zhuǎn)換效率；器件的多孔結(jié)構(gòu)提供了氣體傳輸通道以及反應(yīng)活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高效光催化反應(yīng)，提高了太陽(yáng)燃料技術(shù)高效大面積應(yīng)用的可行性；光催化器件采用絲網(wǎng)印刷的制備方法，使得器件面積具有可擴(kuò)展性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光伏催化技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有內(nèi)建電場(chǎng)的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件。

背景技術(shù)

1972年，F(xiàn)ujishima等人提出太陽(yáng)燃料技術(shù)，其可以利用催化材料將太陽(yáng)光中的能量轉(zhuǎn)化為氫氣、甲烷或者一氧化碳等燃料中能夠直接利用的化學(xué)能。該技術(shù)同時(shí)為能源短缺和環(huán)境污染兩大問題提出了解決方案。目前，已經(jīng)有大量高性能太陽(yáng)燃料用催化材料的研究。

長(zhǎng)期以來(lái)，比較缺少高性能太陽(yáng)燃料器件的相關(guān)工作。這主要是因?yàn)椋弘m然太陽(yáng)燃料材料具有較強(qiáng)的光催化能力，但是制成器件之后，由于光生電荷在傳輸過程中無(wú)序的移動(dòng)，使得光生電荷極易發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致僅有少量的光生電荷能夠被利用。因此，太陽(yáng)燃料器件的轉(zhuǎn)化效率一般不高。為了提升太陽(yáng)燃料器件的轉(zhuǎn)化效率，一般是采用兩種方法，第一種，將光催化材料分散在大量的液態(tài)犧牲劑中，例如添加電子犧牲劑消耗光生空穴，促進(jìn)光生電子的利用；第二種，為光催化材料施加外置偏壓，提供大量的載流子促進(jìn)反應(yīng)。但是這兩種方法都需要額外引入了新的能量來(lái)源或者材料，增加了實(shí)現(xiàn)難度，降低了太陽(yáng)燃料技術(shù)的實(shí)用化的可行性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有內(nèi)建電場(chǎng)的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件，至少可以解決現(xiàn)有技術(shù)中的部分缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供如下技術(shù)方案：一種具有內(nèi)建電場(chǎng)的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件，包括依次疊層設(shè)置的基板、導(dǎo)電層、第一光催化層以及介孔層，所述介孔層中填充有第二光催化層.

進(jìn)一步，所述基板為透明基板。

進(jìn)一步，所述第一光催化層的光催化材料采用氧化鈦和類石墨狀氮化碳。

進(jìn)一步，所述介孔層的材料采用氧化鋯和石墨。

進(jìn)一步，所述第二光催化層材料的導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂均高于所述第一光催化層中的光催化材料，且第二光催化層材料的禁帶寬度小于第一光催化層。

進(jìn)一步，所述光催化器件的孔中至少有90％的孔的孔徑控制在10～100nm之間。

本發(fā)明實(shí)施例提供如下技術(shù)方案：一種具有內(nèi)建電場(chǎng)的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件的制備方法，包括如下步驟：

S1，清洗基板和導(dǎo)電層；

S2，在導(dǎo)電層上制備TiO₂光催化層和g-C₃N₄光催化層，作為光催化異質(zhì)結(jié)中的可見光前吸收層；

S3，在催化反應(yīng)發(fā)生層上制備氧化鋯介孔層和石墨介孔層，作為填充第二光催化層的結(jié)構(gòu)支架；

S4，在結(jié)構(gòu)支架中填充第二光催化層，作為光催化異質(zhì)結(jié)中的可見光后吸收層，與第一光催化層構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，形成內(nèi)建電場(chǎng)。

進(jìn)一步，在所述S1步驟中，依次用洗潔精水溶液、去離子水和乙醇超聲清洗基板和導(dǎo)電層各15-20min，然后用氮?dú)饬鲗⑵浯蹈珊笤诘入x子體清洗機(jī)中再次清洗9-11min。

進(jìn)一步，在所述S2和S3步驟中，先將漿料印刷于基底上，放置于烘箱內(nèi)烘干，然后按照一定的升溫程序放置于馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)。