[发明专利]选择性刻蚀铁电基光催化材料以定向构筑异质结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化领域，具体为一种选择性刻蚀铁电基光催化材料以定向构筑异质结构的方法。

背景技术

光生电荷的空间分离能够有效抑制光生载流子的体相复合以及逆反应的发生，是获得高量子效率光催化剂的先决条件。铁电材料在低于居里温度时具有自发极化作用，而且自发极化强度可以随外电场而反转。光催化剂在光照条件下将产生光生载流子，而自发极化将在晶粒内部建立微小电场，电子和空穴在该电场驱动下分离，并能更有效地促进光生电荷迁移至催化剂表面，减少光生电荷在此体相传输过程中的复合率。但是，铁电材料的表面原子结构通常不利于诱导水的分解反应，即使在光生载流子在内建电场作用下有效分离并输运至表面，其光催化性能受到表面结构限制无法充分发挥。

在铁电材料表面构筑高催化活性材料是充分发挥铁电材料优势的有效手段，在光生电子到达表面构筑高效产氢材料，在光生空穴达到表面构筑高效产氧材料。据此我们提出选择性刻蚀铁电基光催化材料以定向构筑异质结构的方法，异质结构的定向构筑有利于光生载流子的定向分离，可有效提高异质结构的光催化活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种选择性刻蚀铁电基光催化材料以定向构筑异质结构的方法，能够在光生载流子有效分离的条件下，进一步提高铁电材料表面催化活性。

本发明的技术方案是：

一种选择性刻蚀铁电基光催化材料以定向构筑异质结构的方法，利用半导体铁电材料中的铁电场诱导表面带电属性的差异，导致带负电性的酸根离子优先选择性地吸附在带正电荷表面的特点，将半导体铁电材料放入含有刻蚀性酸的水溶液中，通过水热处理过程实现对铁电材料表面的选择性刻蚀，在铁电基体材料表面定向构筑异质结构。

所述的铁电材料为各种三元或三元以上金属化合物铁电材料。

优选的，所述的铁电材料为钛酸铅、钛酸钡或铁酸铋。

所述的刻蚀性酸为各种无机酸或其混合酸溶液。

优选的，所述的刻蚀性酸为氢氟酸、盐酸、硫酸、硝酸之一或两种以上混合。

所述的刻蚀性酸水溶液中，酸的摩尔浓度为0.1mM～5M。

所述的水热处理温度为30℃～300℃，水热处理时间为10min～96h。

本发明的设计思想如下：

本发明利用铁电材料自发极化在晶体内部建立内建电场，光生电子和空穴在该电场驱动下分离，并能更有效地迁移至催化剂表面，减少光生电荷在体相输运过程中的复合率。并且，结合内建电场诱导的表面带电属性的差异，利用带负电性的酸根离子优先选择性地吸附在带正电荷表面，实现对铁电材料表面选择性刻蚀定向构筑异质结构光催化剂。选择性在光生电子到达表面构筑高效产氢材料，可有效提高光生电荷分离的同时，提高表面催化活性，大幅度提高异质结构的光催化活性。

本发明的优点及有益效果是：

本发明选择性刻蚀铁电基光催化材料以定向构筑异质结构的方法，以铁电材料为前驱体，充分利用其内建铁电场有效分离光生载流子的特性以及诱导表面带电属性的差异，选择性地在光生电子到达的表面原位刻蚀构建高效产氢活性表面。同时兼顾了光催化过程中的光生电荷的体相输运分离和表面转移两大基本过程，为构筑高量子效率光催化剂体系提供有效参考。

附图说明

图1.钛酸铅晶体的扫描电子显微镜(SEM)照片；其中，(a)图是原始单电畴铁电材料钛酸铅纳米片状晶体的SEM照片，上下表面暴露的为(001)晶面；(b)图表面选择性刻蚀后的钛酸铅晶体的SEM照片，只有一侧(001)晶面表面上产生凸起。

图2.钛酸铅纳米片状晶体选择性光沉积Au、MnO_x及二者共沉积的SEM照片；其中，(a)图是钛酸铅晶体选择性光沉积Au的SEM照片；(b)图是钛酸铅晶体选择性光沉积MnO_x的SEM照片；(c)图是钛酸铅晶体选择性共沉积Au和MnO_x的SEM照片。

图3.氢氟酸选择性刻蚀的单电畴铁电材料钛酸铅(PbTiO₃)纳米片状晶体的选择性光沉积Au、MnO_x及二者共沉积的SEM照片；其中，(a)图是氢氟酸刻蚀的钛酸铅晶体的选择性光沉积Au；(b)图氢氟酸刻蚀的钛酸铅晶体的选择性光沉积MnO_x；(c)图是氢氟酸刻蚀的钛酸铅晶体的选择性共沉积Au和MnO_x的SEM照片。

具体实施方式