CN216605227U - 光催化装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种光催化装置，属于光学技术领域。其中，该光催化装置包括金属超表面和二维材料层；其中，所述金属超表面和所述二维材料层自下到上堆叠形成异质结；所述金属超表面的表面具有纳米沟壑；所述二维材料层包括至少一层二维过渡金属硫族化合物。本申请实施例光催化装置，利用二维材料层比表面积大，能带结构适中的特性扩大了光催化装置的可吸收光谱范围。同时将金属超表面与二维材料层形成异质结，利用金属超表面的等离激元效应增加了二维材料层对光子的吸收能力，从而增强了该光催化装置的催化性能。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种光催化装置。
背景技术
工业的快速发展和人口的增长引发了能源短缺和环境污染的全球性危机。可持续发展需要发展清洁能源，并避免随之带来的环境问题。太阳能是公认的可再生清洁能源，可以满足人类当前和未来的能源需求。半导体光催化技术可以有效利用太阳能同时进行能源转换和环境净化，是极有潜力的太阳能开发技术之一。根据近些年的研究报道，光催化能源转换主要包括析氢、CO2还原、固氮、有机合成等。此外，光催化环境净化主要集中在空气净化(NOx和VOCs等转化)和废水净化(有机污染物降解)。开发与制备性能优异的光催化剂是实现光催化技术走向应用的关键。
目前，各国研究者已经开发了数百种半导体光催化材料，利用半导体或金属氧化物在光的照射下被能量大于或等于能带宽度的光子所激发，产生具有一定能量的电子和空穴，这些电子和空穴在半导体或金属氧化物颗粒内部以及界面之间的转移或失活。当这些电子和空穴到达半导体或金属氧化物的表面与其表面吸附的物质发生氧化还原反应，从而完成对污染物的降解。
在实现本申请的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：
现有技术中采用的半导体无法吸收能量比禁带能量小的可见光，对阳光的利用率低，只有4％左右。
实用新型内容
有鉴于此，为解决现有技术中半导体阳光利用率低的技术问题，本申请实施例提供了一种光催化装置。
本申请实施例提供的一种光催化装置包括金属超表面和二维材料层；
其中，所述金属超表面和所述二维材料层自下到上堆叠形成异质结；
所述金属超表面的表面具有纳米沟壑；
所述二维材料层包括至少一层二维过渡金属硫族化合物。
可选地，所述二维材料层包括单层二维过渡金属硫族化合物。
可选地，所述二维材料层包括两种或两种以上二维过渡金属硫族化合物堆叠形成的异质结。
可选地，所述二维材料层包括两种不同的二维过渡金属硫族化合物堆叠而成的异质结。
可选地，所述纳米沟壑的排列周期大于或等于10nm，并且小于或等于200nm。
可选地，所述纳米沟壑的宽度大于或等于3nm，并且小于或等于10nm。
可选地，所述纳米沟壑的深度大于或等于5nm，并且小于或等于30nm。
可选地，所述纳米沟壑的形状包括条状沟壑和网状沟壑。
可选地，所述网状沟壑的形状包括多边形、扇形和圆形中的一种或多种。
可选地，所述纳米沟壑为离散的沟壑。
可选地，所述纳米沟壑为相互连接的沟壑。
本申请实施例提供的光催化装置，至少取得了以下有益效果：
本申请实施例提供了一种光催化装置，利用二维材料层比表面积大，能带结构适中的特性扩大了光催化装置的可吸收光谱范围。同时将金属超表面与二维材料层形成异质结，利用金属超表面的等离激元效应增加了二维材料层对光子的吸收能力，从而增强了该光催化装置的催化性能。本申请实施例还利用金属超表面对光子的散射增加了二维材料吸收光子的路径，进一步增强了该光催化装置的催化性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本申请实施例所提供的光催化装置的可选的结构示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的纳米沟壑的可选的结构示意图；
图3示出了本申请实施例所提供的纳米沟壑的又一种可选的结构示意图；
图4示出了本申请实施例所提供的光催化装置的又一种可选的结构示意图。
图中附图标记分别表示：
100-金属超表面；101-纳米沟壑；
200-二维材料层。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
光催化反应主要包括以下四个步骤：(1)光的捕获和吸收；(2)光生载流子(电子-空穴对)的产生；(3)载流子的分离和迁移；(4)利用电子或空穴进行还原或氧化反应。理想的光催化材料需要满足如下几个关键的要素：太阳能利用率高、能带结构适中、低成本、光催化活性高且稳定。
现有技术中有一种利用MoS2/Al2O3/Au/Al2O3/Al复合结构提高光催化性能的装置，该装置结构复杂，且制备成本高，无法大规模应用。现有技术还有一种基于金属-半导体-金属纳米结构的光催化装置，该装置能够提高热载流子的浓度从而提高光催化性能。然而该装置的结构复杂，且选用的半导体为TiO2或Al2O3，能吸收的最长光波长只有390nm，只能吸收紫外光，紫外光只占太阳能中的5％。因此，该装置的结构复杂且光能利用率低，不利于推广应用。
图1示出了本申请实施例所提供的一种光催化装置。如图1所示，该光催化装置包括金属超表面100和二维材料层200。其中，金属超表面100和二维材料层200自下到上堆叠形成异质结。金属超表面100表面具有纳米沟壑101。二维材料层200包括至少一层二维过渡金属硫族化合物。
具体而言，二维材料是指由单层或少数层原子或者分子层组成的材料，层内由较强的共价键或离子键连接，而层间则由作用力较弱的范德瓦耳斯力结合。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的纳米结构来调制入射光的相位、幅度和偏振等特性。当二维过渡金属硫族化合物从多层转变成单层时，其能带结构也发生了变化，由间接带隙转变成直接带隙，并且发生了谷间自旋耦合。
二维材料层200中的二维过渡金属硫族化合物相比三维材料具有超高比表面积，带隙在1eV到2.5eV之间，能带结构适中，对应的可吸收的光谱范围包含近红外和可见光波段。但二维材料层200的厚度仅为原子量级，透过率太高，光催化性能并不高。表1示出了单层二维过渡金属硫族化合物的带隙及对应的吸收光谱范围。
表1
进一步地，本申请实施例通过金属超表面100增强二维材料层200的光吸收。金属超表面100表面的结构单元为纳米沟壑101。纳米沟壑101在金属超表面100的表面形成阵列排布的纳米金属天线，使金属超表面100的表面产生等离激元。等离激元效应使金属超表面100的表面附近产生一个增强的电场，该增强电场可以增强光吸收。沿着远离金属超表面100的方向，等离激元效应引起的近场增强呈指数衰减。受益于金属超表面100附近电场的增强，二维材料层200对光子的吸收性能显著增强，尤其是靠近纳米沟壑101的区域。故，二维材料层200的吸收性能与纳米沟壑101的密度成正比。
需要说明的是，纳米沟壑101的宽度(W)越窄、排列周期(L)越短，金属超表面100附近局域等离激元引起的电场增强越强，提高催化性能的效果越好。示例性地，纳米沟壑101的宽度(W)大于或等于3nm，并且小于或等于10nm。示例性地，纳米沟壑101的排列周期(L)大于或等于10nm，并且小于或等于200nm。可选地，纳米沟壑101的深度(d)大于或等于5nm，小于或等于30nm。
优选地，金属超表面100的材质为贵金属，例如金、银或铂等。如图2和图3所示，纳米沟壑101的形状包括条状沟壑和网状沟壑。纳米沟壑101可以是离散的沟壑，也可以是相互连接的沟壑。也就是说，金属超表面100上的纳米沟壑可以是独立的沟壑，也可以是彼此连接形成网格的沟壑，还可以是多个彼此独立的网格。示例性地，网状沟壑的形状包括多边形、扇形和圆形中的一种或多种。
在一种可选的实施方式中，本申请实施例提供的二维材料层200包括两种或两种以上二维过渡金属硫族化合物堆叠形成的异质结。优选地，二维材料层200包括两种不同的二维过渡金属硫族化合物堆叠形成的异质结。更优选地，二维材料层包括单层过渡金属硫族化合物。示例性地，二维材料层200的材料可选择地包括过渡金属硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2或NbSe2等，也可以包括由两种二维过渡金属硫族化合物堆叠而成的异质结，例如MoS2/WSe2异质结等。二维材料的制备方法可选择的包括化学气相沉积法(CVD，Chemical Vapor Deposition)、氧化还原插层剥离法、水热模板组装法和超声剥离法等。
示例性地，入射光照射本申请实施例提供的光催化装置时，二维材料层200捕获和吸收入射的光子，并产生光生载流子(即电子空穴对)。载流子在二维材料内部及表面之间转移或复合。当载流子到达二维材料层200的表面时与二维材料层200表面吸附的物质发生氧化还原反应，从而完成对污染物的降解。而由于表面等离激元效应在金属超表面100附近产生了一个增强的电场，增强了二维材料层200中的载流子产生的速率，从而增强了二维材料层200对入射光的吸收。
此外，金属超表面100的纳米沟壑101以及纳米沟壑101形成的纳米天线具有散射效应。当透过二维材料层200的光照射金属超表面100时，光子会被散射，使二维材料层200吸收光子的路径增加，因此，二维材料层200可以吸收更多的光子，产生更多的载流子，从而提高催化性能。
本申请一种示例的实施方式中，如图4所示，该光催化装置的二维材料层200选用CVD生长在石英玻璃上的单层MoS2(呈三角形)；金属超表面100选用表面具有条状的纳米沟壑101的金膜。其中，纳米沟壑101的周期为100nm，宽度为5nm，深度为10nm。
示例性地，用氢氧化钠溶液转移法将二维材料层200转移到金属超表面100上。具体过程如下：在生长了单层MoS2的石英玻璃上选涂一层光刻胶(例如PMMA)；将其放置于氢氧化钠溶液中，附着有MoS2的PMMA膜与石英玻璃衬底分离；用分布有条状沟壑的金膜将附着有MoS2的PMMA膜捞出，在60摄氏度加热5分钟；将此结构置于丙酮溶液中将PMMA溶解，得到的就是附着有MoS2的超表面(即MoS2和金制超表面的异质结)。
将该光催化装置应用于析氢反应(hydrogen evolution reaction)中，电荷密度达到160μA*cm-2，而仅使用MoS2的光催化装置的电荷密度为75μA*cm-2。因此，本申请实施例提供的光催化装置的催化性能显著提高。此外，在至少10天的时间内本申请实施例提供的光催化装置的催化性能没有显著降低。
综上所述，本申请实施例提供了一种光催化装置，利用二维材料层比表面积大，能带结构适中的特性扩大了光催化装置的可吸收光谱范围。同时将金属超表面与二维材料层形成异质结，利用金属超表面的等离激元效应增加了二维材料层对光子的吸收能力，从而增强了该光催化装置的催化性能。本申请实施例还利用金属超表面对光子的散射增加了二维材料吸收光子的路径，进一步增强了该光催化装置的催化性能。此外，本申请实施例提供的光催化装置的结构简单，生产成本低，适合大规模应用。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种光催化装置，其特征在于，所述光催化装置包括金属超表面(100)和二维材料层(200)；
其中，所述金属超表面(100)和所述二维材料层(200)自下到上堆叠形成异质结；
所述金属超表面(100)的表面具有纳米沟壑(101)；
所述二维材料层(200)包括至少一层二维过渡金属硫族化合物。
2.如权利要求1所述的光催化装置，其特征在于，所述二维材料层(200)包括单层二维过渡金属硫族化合物。
3.如权利要求1所述的光催化装置，其特征在于，所述二维材料层(200)包括两种或两种以上二维过渡金属硫族化合物堆叠形成的异质结。
4.如权利要求3所述的光催化装置，其特征在于，所述二维材料层(200)包括两种不同的二维过渡金属硫族化合物堆叠而成的异质结。
5.如权利要求1所述的光催化装置，其特征在于，所述纳米沟壑(101)的排列周期大于或等于10nm，并且小于或等于200nm。
6.如权利要求1所述的光催化装置，其特征在于，所述纳米沟壑(101)的宽度大于或等于3nm，并且小于或等于10nm。
7.如权利要求1所述的光催化装置，其特征在于，所述纳米沟壑(101)的深度大于或等于5nm，并且小于或等于30nm。
8.如权利要求1-7中任一所述的光催化装置，其特征在于，所述纳米沟壑(101)的形状包括条状沟壑和网状沟壑。
9.如权利要求8所述的光催化装置，其特征在于，所述网状沟壑的形状包括多边形、扇形和圆形中的一种或多种。
10.如权利要求1-7中任一所述的光催化装置，其特征在于，所述纳米沟壑(101)为离散的沟壑。
11.如权利要求1-7中任一所述的光催化装置，其特征在于，所述纳米沟壑(101)为相互连接的沟壑。
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| CN117019153B (zh) * | 2023-09-07 | 2024-02-02 | 安徽华钛高新材料有限公司 | 一种臭氧消除催化剂及其制备装置 |
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