CN106082387A - 一种光电催化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光电催化装置，所述光电催化装置包括：依次沉积在导电衬底上的锌锡薄膜和光催化薄膜，以及与所述光催化薄膜电连接的热电器件，其中，所述热电器件的表面具有光致热材料。本发明通过通过在导电衬底与光催化薄膜之间增加锌锡薄膜，利用锌锡薄膜与光催化薄膜的协同作用，大幅提升所述光电催化装置的光电催化效率。

Description

一种光电催化装置
技术领域
本发明涉及一种光电催化装置及光电催化方法，具体涉及一种光催化薄膜和热电器件联用的光催化装置以及光电催化方法。
背景技术
环境污染及能源危机是目前制约人类社会发展的两大瓶颈，半导体光催化技术有望解决这两大难题，其研究和应用引起了人们的广泛关注。光催化环境净化技术是利用光激发半导体分解有机物的过程。其机理是半导体光催化剂受到光激发产生非平衡载流子即光生电子与空穴，电子与空穴迁移到半导体表面后，由于具有很强的氧化及还原能力，可跟与之接触的有机污染物发生氧化还原反应，将有机物分解为小分子并最终分解为CO2和水。由于光催化可利用自然界中的光能长期工作，使其在环境污染治理领域有广阔的应用前景。半导体光催化技术缓解能源危机的途径是通过其光催化分解水制氢实现。其机理是半导体光催化剂受光激发后，产生的电子空穴迁移到表面后分别与水发生氧化还原反应，生成氢气与氧气。
目前限制光催化技术大规模应用的核心问题一是光催化效率低，二是太阳能利用率低。光催化性能很大程度上取决于光生电子—空穴对的分离效率。分离效率越高，催化活性一般也越好。因此抑制电子—空穴的复合有利于提高催化性能。由于半导体光催化剂的导带对高活性电子的捕获能力有限，容易导致高活性电子与光生空穴的再复合。而光电催化可以利用外加电场的阳极，捕获高活性电子，从而避免了光生空穴和高活性电子的再复合，从而提高了光催化反应效率。由于目前光电催化需要外加电源，成本较高，因此光电催化技术在 实际应用中也没有获得大规模推广。如何实现不需外加电源的光电催化是目前的技术难题。
CN 103920442A公开了一种光电催化装置及光电催化方法，所述光电催化装置包括：沉积在导电衬底上的光催化薄膜，以及与所述光催化薄膜电连接的热电器件，其中，所述热电器件的表面具有光致热材料。所述光电催化方法包括：利用沉积在导电衬底上的光催化薄膜在光激发下产生的光生电子与空穴降解与之接触的有机污染物；利用热电器件将其表面的光致热材料在可见光或红外光的照射下产生的热能，转化为电能并施加在与其电连接的光催化薄膜上以促进所述光生电子与空穴分离。虽然该光电催化装置提高了催化效率又提高了光能利用，但其光电催化效率还有待进一步的提高。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种光电催化装置，通过在导电衬底与光催化薄膜之间增加锌锡薄膜，利用锌锡薄膜与光催化薄膜的协同作用，大幅提升所述光电催化装置的光电催化效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种光电催化装置，所述光电催化装置包括：依次沉积在导电衬底上的锌锡薄膜和光催化薄膜，以及与所述光催化薄膜电连接的热电器件，其中，所述热电器件的表面具有光致热材料。
作为本发明的优选方案，所述光催化薄膜的材料选自紫外、可见或红外光催化材料，包括Bi2WO6、BiVO4、TiO2、SrTiO3、WO3、ZnO、MoS2。
作为本发明的优选方案，所述光致热材料选自碳类、硫化物窄带隙半导体类或贵金属光热材料，包括氧化石墨烯、CuS、Au、Ag、碳纳米管。
优选地，所述导电衬底为氟掺杂氧化锡。
作为本发明的优选方案，所述锌锡薄膜的厚度为800～1000nm，例如800nm、850nm、900nm、950nm或1000nm等。本发明中，锌锡薄膜会影响光催化薄膜的光电催化效率，其厚度范围超过800～1000nm后，均无法达到理想的光电催化效率。
作为本发明的优选方案，所述锌锡薄膜采用如下方法制备得到：(1)配制前驱液：将氯化锌和氯化锡溶于有机溶剂中，搅拌至溶液呈透明；
(2)将所述前驱液旋涂至导电基底表面，干燥，然后置于氮气分氛围中进行煅烧，得到锌锡薄膜。
作为本发明的优选方案，步骤(1)中氯化锌和氯化锡的摩尔比为1:(2～3)，例如1:2、1:2.2、1:2.4、1:2.6、1:2.8或1:3等，进一步优选为1:3；
优选地，步骤(1)中所述有机溶剂为甲醇和/或乙醇。
作为本发明的优选方案，步骤(2)中干燥温度为60～80℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等；干燥时间为24～30h，例如24h、25h、26h、27h、28h、29h或30h等。
优选地，步骤(2)中煅烧温度为400～500℃，例如400℃、430℃、450℃、470℃或500℃等，进一步优选为450℃。
优选地，步骤(2)中煅烧时间为3～5h，例如3h、4h或5h等，进一步优选为4h。
作为本发明的优选方案，所述热电器件通过导电胶电连接至所述光催化薄膜。
本发明的有益效果：
本发明通过在导电衬底与光催化薄膜之间增加锌锡薄膜，利用锌锡薄膜与光催化薄膜的协同作用，大幅提升所述光电催化装置的光电催化效率，其对水 中苯酚的光电催化降解率比现有技术提高了4倍，其在外加1.4V电压下，光电催化效率为90％。
具体实施方式
通过以下具体实施方式对本发明作进一步详细说明，应理解为，以下实施方式仅为对本发明的说明，不是对本发明内容的限制，任何对本发明内容未作实质性变更的技术方案仍落入本发明的保护范围。
以下各实施例和对比例中热电器件采用商品化的p-n结型热电器件(p:Bi2Te3–Sb2Te3，n:Bi2Te3–Bi2Se3)，“氧化石墨烯”，是参照文献(Phys.Chem.Chem.Phys.2011,13,2887-2893.)得到的，光催化薄膜的制备方法参照文献(J.Phys.Chem.C2012,116,19413–19418.)中所述的方法。
光电催化实验是将FTO/Bi2WO6纳米薄膜一端连接在热电器件上，将FTO/Bi2WO6纳米薄膜加入10mL浓度为8mg/L的苯酚溶液中，然后置于300W氙灯下照射，同时将热电器件放在红外光下。
实施例1：
本实施例提供了一种光电催化装置，所述光电催化装置包括：依次沉积在导电衬底上的厚度为900nm的锌锡薄膜和Bi2WO6膜，以及与所述光催化薄膜电连接的热电器件，其中，所述热电器件的表面具有光致热材料氧化石墨烯。
其中，所述锌锡薄膜采用如下方法制备得到：(1)配制前驱液：将氯化锌和氯化锡溶于乙醇中，其中，氯化锌和氯化锡的摩尔比为1:3，搅拌至溶液呈透明；
(2)将所述前驱液旋涂至导电基底表面，在70℃下干燥26h，然后置于氮气分氛围中于450℃下进行煅烧4h，得到锌锡薄膜。
本实例提供的光电催化装置对水中苯酚的光电催化降解率比现有技术提高了5倍，其在外加1.4V电压下，光电催化效率为94％。
实施例2：
本实施例提供了一种光电催化装置，所述光电催化装置包括：依次沉积在导电衬底上的厚度为800nm的锌锡薄膜和BiVO4膜，以及与所述光催化薄膜电连接的热电器件，其中，所述热电器件的表面具有光致热材料CuS。
其中，所述锌锡薄膜采用如下方法制备得到：(1)配制前驱液：将氯化锌和氯化锡溶于乙醇中，其中，氯化锌和氯化锡的摩尔比为1:2.5，搅拌至溶液呈透明；
(2)将所述前驱液旋涂至导电基底表面，在60℃下干燥30h，然后置于氮气分氛围中于400℃下进行煅烧3h，得到锌锡薄膜。
本实例提供的光电催化装置对水中苯酚的光电催化降解率比现有技术提高了4倍，其在外加1.4V电压下，光电催化效率为91％。
实施例3：
本实施例提供了一种光电催化装置，所述光电催化装置包括：依次沉积在导电衬底上的厚度为1000nm的锌锡薄膜和SrTiO3膜，以及与所述光催化薄膜电连接的热电器件，其中，所述热电器件的表面具有光致热材料Ag。
其中，所述锌锡薄膜采用如下方法制备得到：(1)配制前驱液：将氯化锌和氯化锡溶于乙醇中，其中，氯化锌和氯化锡的摩尔比为1:2，搅拌至溶液呈透明；
(2)将所述前驱液旋涂至导电基底表面，在80℃下干燥24h，然后置于氮气分氛围中于500℃下进行煅烧5h，得到锌锡薄膜。
本实例提供的光电催化装置对水中苯酚的光电催化降解率比现有技术提高 了4倍，其在外加1.4V电压下，光电催化效率为90％。
对比例1：
CN 103920442A中实施例1，该对比例提供的光电催化装置对水中苯酚的光电催化降解率比现有技术提高了2倍。
对比例2：
除了锌锡薄膜的厚度为700nm外，其他物料用量与制备步骤均与实施例1中相同。
本对比例供的光电催化装置对水中苯酚的光电催化降解率比现有技术提高了1倍，其在外加1.4V电压下，光电催化效率为68％。
对比例3：
除了锌锡薄膜的厚度为1500nm外，其他物料用量与制备步骤均与实施例1中相同。
本对比例供的光电催化装置对水中苯酚的光电催化降解率比现有技术提高了1倍，其在外加1.4V电压下，光电催化效率为74％。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种光电催化装置，其特征在于，所述光电催化装置包括：依次沉积在导电衬底上的锌锡薄膜和光催化薄膜，以及与所述光催化薄膜电连接的热电器件，其中，所述热电器件的表面具有光致热材料。
2.根据权利要求1所述的光电催化装置，其特征在于，所述光催化薄膜的材料选自紫外、可见或红外光催化材料，包括Bi2WO6、BiVO4、TiO2、SrTiO3、WO3、ZnO、MoS2。
3.根据权利要求1或2所述的光电催化装置，其特征在于，所述光致热材料选自碳类、硫化物窄带隙半导体类或贵金属光热材料，包括氧化石墨烯、CuS、Au、Ag、碳纳米管；
优选地，所述导电衬底为氟掺杂氧化锡。
4.根据权利要求1-3所述的光电催化装置，其特征在于，所述锌锡薄膜的厚度为800～1000nm。
5.根据权利要求1-4所述的光电催化装置，其特征在于，所述锌锡薄膜采用如下方法制备得到：(1)配制前驱液：将氯化锌和氯化锡溶于有机溶剂中，搅拌至溶液呈透明；
(2)将所述前驱液旋涂至导电基底表面，干燥，然后置于氮气分氛围中进行煅烧，得到锌锡薄膜。
6.根据权利要求5所述的光电催化装置，其特征在于，步骤(1)中氯化锌和氯化锡的摩尔比为1:(2～3)，进一步优选为1:3；
优选地，步骤(1)中所述有机溶剂为甲醇和/或乙醇。
7.根据权利要求5或6所述的光电催化装置，其特征在于，步骤(2)中干燥温度为60～80℃，干燥时间为24～30h；
优选地，步骤(2)中煅烧温度为400～500℃，进一步优选为450℃；
优选地，步骤(2)中煅烧时间为3～5h，进一步优选为4h。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的光电催化装置，其特征在于，所述热电器件通过导电胶电连接至所述光催化薄膜。
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