半导体光催化结构及其制备方法和具有其的光催化剂技术

本发明专利技术公开了半导体光催化结构及其制备方法和具有其的光催化剂，半导体光催化结构包括半导体过渡层、第一半导体层和第二半导体层，第一半导体层和半导体过渡层中半导体层直接接触，第二半导体层和半导体过渡层中半导体层直接接触，第一半导体层与第二半导体层不接触；第一半导体层和第二半导体层带隙能不低于1.8ev，第一半导体层厚度和与其直接接触半导体层厚度均超出空间电荷区宽度、其内建电场方向由第一半导体层指向与其直接接触半导体层、第一半导体层导带底比H2O/H2还原电势更负，第二半导体层厚度和与其直接接触半导体层厚度均超出空间电荷区宽度、其内建电场方向由与其直接接触的半导体层指向第二半导体层、第二半导体层价带顶比O2/H2O氧化电势更正。O氧化电势更正。O氧化电势更正。

【技术实现步骤摘要】
半导体光催化结构及其制备方法和具有其的光催化剂


[0001]本专利技术属于光催化领域，具体涉及一种半导体光催化结构及其制备方法和具有其的光催化剂。

技术介绍

[0002]近年来，能源短缺和环境污染已成为世界关注的焦点。半导体光催化技术能够利用太阳能将水分解为氢气和氧气，以及消除各种污染物，是最理想、最清洁的技术，因而受到广泛的关注。其中，光催化全解水制氢尤为受重视，因其能利用太阳能将水直接分解为氢气和氧气，是最简便、最经济的氢气制取方式，同时利用它的氧化还原能力还可以降解污染物从而净化环境，有助于实现可持续社会，因此倍受关注。1972年，Fujishima和Honda两位教授首次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水产生氢气，开辟了利用太阳能分解水的研究道路。然而TiO2过宽的带隙使其仅能利用约占太阳光4％的紫外光，而可见光在太阳能中占有很大的比重，因此可见光区光全解水是研究的重点和热点。
[0003]可见光区光全解水可以采用单一的半导体光催化剂，也可以采用Z型光催化剂。所谓的Z型光催化剂是由析氢半导体和析氧半导体通过中间介质联结而形成，因其能更有效地把电子-空穴对分开并具备更强的氧化还原能力，而且相对于单一光催化剂全解水吸收边最多只能到约500nm才较有活性，它却可以利用更大范围的可见光，因而被广泛使用。目前，根据中间介质不同，可以形成由可逆的氧化还原化学介质联结的Z型光催化剂、金属介质联结的Z型光催化剂，甚至无介质即直接Z型光催化剂。2010年，一个Pt负载的ZrO2/TaON作为析氢半导体，Pt负载的WO3作为析氧半导体，以及IO
3-/I-作为氧化还原介质的“Z型”光催化剂在可见光照射下实现光全解水，其在420nm处的量子效率为6.3％；2016年，Domen等用La,Rh-codoped SrTiO3产氢，Mo-doped BiVO4产氧，Au层作为电子传递介体，该体系在419nm波长处的量子效率为33％(太阳能利用率约1.1％)，这是迄今为止使用全解水光催化剂实现的最高可重复太阳能利用率值；2018年，aza-fused微孔聚合物(CMP)/C2N直接Z型异质结光催化剂在可见光照射下实现光全解水，太阳能利用率达到0.4％。上述几种Z型光催化剂已经被证实能够在可见光照射下实现光全解水，然而其光全解水效率较低，因其存在以下几点问题：
[0004]1、目前的半导体Z型光催化剂结构不够合理，包括几何结构不够理想(比如有效活性表面不足、半导体间接触界面不易调控导致内建电场强度较弱等)和能带结构匹配不理想(导致可见光利用范围受限)，使得光催化效率较低。
[0005]2、现有的半导体Z型光催化剂稳定性不足，在水或溶液中均有不同程度的溶解，并且多数存在光腐蚀和(或)逆反应，使用寿命只有几个小时到几十个小时，稳定性不够好。
[0006]3、制备过程复杂，回收困难。
[0007]因此，现有的半导体Z型光催化剂及其制备方法有待进一步探究。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种半导体光催化结构及其制备方法和具有其的光催化剂，该半导体光催化结构具备光全解水的可行性，并具有最大化的有效活性表面、可控的内建电场、灵活的能带结构匹配以及更好的稳定性，从而提高基于半导体光催化结构的光全解水催化体系的光转化效率和拓展可选择的光催化材料，进而可以一定程度上解决现有技术中Z型光催化剂光全解水时效率较低的难题。
[0009]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种半导体光催化结构。根据本专利技术的实施例，所述半导体光催化结构包括：
[0010]半导体过渡层，所述半导体过渡层包括至少一半导体层；
[0011]第一半导体层，所述第一半导体层和所述半导体过渡层中半导体层直接接触；
[0012]第二半导体层，所述第二半导体层和所述半导体过渡层中半导体层直接接触，并且所述第一半导体层与所述第二半导体层不接触；
[0013]其中，
[0014]所述第一半导体层和所述第二半导体层的带隙能分别独立地不低于1.8ev；
[0015]所述第一半导体层的厚度和与其直接接触的所述半导体层的厚度均超出它们所形成的异质结/同质结的空间电荷区宽度，其内建电场方向由所述第一半导体层指向与其直接接触的所述半导体层，并且所述第一半导体层的导带底比H2O/H2的还原电势更负；
[0016]所述第二半导体层的厚度和与其直接接触的所述半导体层的厚度均超出它们所形成的半导体异质结/同质结的空间电荷区宽度，其内建电场方向由与其直接接触的所述半导体层指向所述第二半导体层，并且所述第二半导体层价带顶比O2/H2O的氧化电势更正。
[0017]根据本专利技术实施例的半导体光催化结构，通过将第一半导体层和第二半导体层布置在半导体过渡层的不同位置，即将第一半导体层和第二半导体层通过半导体过渡层接触，该第一半导体层和第二半导体层表面均能充分接触到水或溶液，使得该半导体光催化结构有效活性面积最大化。同时由于第二半导体层和第一半导体层通过与半导体过渡层中半导体层完全接触，因而使得内建电场显著增强，有利于光生载流子的分离并使载流子快速迁移，从而有利于提高该半导体光催化结构的光催化效率。并且限定第一半导体层和第二半导体层的带隙能分别独立地不低于1.8ev，即第一半导体层和第二半导体层均具有可见光吸收能力，使得该光催化结构可以有效利用可见光区进行光全解水，最大限度利用可见光的潜力；还限定第一半导体层的厚度和与其直接接触的半导体层的厚度均超出它们所形成的半导体异质结/同质结的空间电荷区宽度，其内建电场方向由第一半导体层指向与其直接接触的半导体层，并且第一半导体层的导带底比H2O/H2的还原电势更负，即使得第一半导体层具有还原水产氢能力；同时限定第二半导体层的厚度和与其直接接触的半导体层的厚度均超出它们所形成的半导体异质结/同质结的空间电荷区宽度，其内建电场方向由与其直接接触的半导体层指向第二半导体层，并且第二半导体层价带顶比O2/H2O的氧化电势更正，即使得第二半导体层具有氧化水产氧能力。由此，该半导体光催化结构具备光全解水的可行性，并具有最大化的有效活性表面、可控的内建电场、灵活的能带结构匹配以及更好的稳定性，从而提高基于半导体光催化结构的光全解水催化体系的光转化效率和拓展可选择的光催化材料，进而可以一定程度上解决现有技术中Z型光催化剂光全解水时效率较
低的难题。
[0018]另外，根据本专利技术上述实施例的半导体光催化结构还可以具有如下附加的技术特征：
[0019]在本专利技术的一些实施例中，所述第一半导体层和所述第二半导体层设在所述半导体过渡层的同一侧或两侧。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，所述半导体过渡层包括：导电层；第三半导体层，所述第三半导体层设在所述导电层上，所述第一半导体层设在所述第三半导体层上；第四半导体层，所述第四半导体层设在所述导电层上，并且所述第四半导体层与所述第三半导体层不接触，所述第二半导体层设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体光催化结构，其特征在于，包括：半导体过渡层，所述半导体过渡层包括至少一半导体层；第一半导体层，所述第一半导体层和所述半导体过渡层中半导体层直接接触；第二半导体层，所述第二半导体层和所述半导体过渡层中半导体层直接接触，并且所述第一半导体层与所述第二半导体层不接触；其中，所述第一半导体层和所述第二半导体层的带隙能分别独立地不低于1.8ev；所述第一半导体层的厚度和与其直接接触的所述半导体层的厚度均超出它们所形成的半导体异质结/同质结的空间电荷区宽度，其内建电场方向由所述第一半导体层指向与其直接接触的所述半导体层，并且所述第一半导体层的导带底比H2O/H2的还原电势更负；所述第二半导体层的厚度和与其直接接触的所述半导体层的厚度均超出它们所形成的半导体异质结/同质结的空间电荷区宽度，其内建电场方向由与其直接接触的所述半导体层指向所述第二半导体层，并且所述第二半导体层价带顶比O2/H2O的氧化电势更正。2.根据权利要求1所述的半导体光催化结构，其特征在于，所述第一半导体层和所述第二半导体层设在所述半导体过渡层的同一侧或两侧。3.根据权利要求2所述的半导体光催化结构，其特征在于，所述半导体过渡层包括：导电层；第三半导体层，所述第三半导体层设在所述导电层上，所述第一半导体层设在所述第三半导体层上；第四半导体层，所述第四...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕锋仔，黄文财，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：