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

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• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114682242A
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發(fā)明（設計）人: 彭勇;王繼澤
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: 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)建電場的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件，包括依次疊層設置的基板、導電層、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帶低和價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能量的條件下，通過構(gòu)建內(nèi)建電場解決光生電荷無序移動易復合的問題，提高了太陽燃料器件的轉(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活性位點，實現(xiàn)了高效光催化反應，提高了太陽燃料技術(shù)高效大面積應用的可行性；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等人提出太陽燃料技術(shù)，其可以利用催化材料將太陽光中的能量轉(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能。該技術(shù)同時為能源短缺和環(huán)境污染兩大問題提出了解決方案。目前，已經(jīng)有大量高性能太陽燃料用催化材料的研究。

長期以來，比較缺少高性能太陽燃料器件的相關(guān)工作。這主要是因為：雖然太陽燃料材料具有較強的光催化能力，但是制成器件之后，由于光生電荷在傳輸過程中無序的移動，使得光生電荷極易發(fā)生復合，導致僅有少量的光生電荷能夠被利用。因此，太陽燃料器件的轉(zhuǎn)化效率一般不高。為了提升太陽燃料器件的轉(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反應。但是這兩種方法都需要額外引入了新的能量來源或者材料，增加了實現(xiàn)難度，降低了太陽燃料技術(shù)的實用化的可行性。

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。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供如下技術(shù)方案：一種具有內(nèi)建電場的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件，包括依次疊層設置的基板、導電層、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.

進一步，所述基板為透明基板。

進一步，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。

進一步，所述介孔層的材料采用氧化鋯和石墨。

進一步，所述第二光催化層材料的導帶低和價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)明實施例提供如下技術(shù)方案：一種具有內(nèi)建電場的多孔結(jié)構(gòu)大面積光催化器件的制備方法，包括如下步驟：

S1，清洗基板和導電層；

S2，在導電層上制備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。

進一步，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電層各15-20min，然后用氮氣流將其吹干后在等離子體清洗機中再次清洗9-11min。

進一步，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行燒結(jié)。