[发明专利]一种光催化系统、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种光催化系统，其特征在于，包括依次设置：非易失性极化场层、导电层与光催化剂层；所述非易失性极化场层由铁电材料在外加电场极化作用后得到。与现有技术相比，本发明提供的光催化系统中非易失性极化场层具有非易失性极化场电场，在该电场的作用下，光催化剂层产生的电子和空穴可定向迁移，从而实现了高效分离，进而使光催化系统具有高效的光催化活性，也避免了光催化剂与自身光生电子和空穴的作用，提高了光催化剂的稳定性。

技术领域

本发明属于光催化能量转换技术领域，尤其涉及一种光催化系统、其制备方法及应用。

背景技术

能源短缺和环境污染是当前人类生存所面临的重大挑战。一方面，全球的能源消耗在过去20年里增长了50％；另一方面，农药残留、印染废料、挥发性有机污染物(VOCs)，以及化石资源燃烧所释放的CO₂(温室效应)、SO₂(酸雨)等有害液、气相污染物引起的环境问题已经严重影响到人类的生存与健康。对于我国而言，能源紧缺、能源结构性矛盾短期内难以改变。经济快速增长的同时伴随着化石能源的急剧消耗，也致使我国成为全球CO₂排放量是最多的国家。因此，开发洁净的可再生能源和环境保护技术迫在眉睫。

光催化可以将低密度的太阳能转化为高密度的化学能(分解水制氢、还原二氧化碳制燃料等)，同时可以直接利用低密度的太阳能降解气、液相中的各种有机污染物，甚至还原重金属离子。该技术具有在室温下反应、直接利用太阳能、无二次污染等优点，对于从根本上解决能源短缺和环境污染问题具有不可估量的意义。

光催化剂在能量等于或大于其禁带宽度的光照射时，其价带上的部分电子就会被激发并跃迁到导带，从而在导带和价带分别形成光生电子和空穴(也称光生载流子)。分别具有强还原和氧化能力的光生电子和空穴迁移到光催化剂表面，可以与吸附在其表面的分子(H₂O、OH-、O₂、有机物等)发生能量和电荷交换，产生具有氧化/还原能力的物种(·OH、H₂O₂、O2-等)，这些物种是进一步参与化学反应的主要活性物质。光生电子和空穴也可直接与反应物质作用，生成目标产物。例如，以目前使用最广泛的光催化材料TiO₂为例，其光生电子能还原半导体表面的电子受体H2O，生成氢气；光生空穴能氧化H₂O，生成氧气；TiO₂表面所负载的Pt、RuO₂等贵金属或金属氧化物则能加速电子或空穴向外部的迁移，促进氢气或氧气的生成。因此，要获得高的光催化性能，就需要实现载流子有效分离，即抑止电子-空穴对的复合，使载流子在其生命周期内达到活性部位参与氧化还原反应。目前已报道了多种促进载流子分离的手段，如构建p-n结、异相结，光催化剂的复合、掺杂、敏化等。然而光催化剂的太阳能转化效率仍然较低，急需发展更高效的光生载流子分离方法和相应的光催化剂制备技术。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种极化场耦合、结构稳定并具有高活性的光催化系统、其制备方法及应用。

本发明提供了一种光催化系统，包括依次设置：非易失性极化场层、导电层与光催化剂层；所述非易失性极化场层由铁电材料在外加电场极化作用后得到。

优选的，所述非易失性极化场层的厚度为0.5～1mm；所述导电层的厚度为15～200nm；所述光催化剂层的厚度为20～600nm。

优选的，所述铁电材料选自铌镁酸铅系铁电材料、钛酸铋或锆钛酸铅；所述导电层选自Au、Ag、Cu与In中的一种或多种；所述光催化剂层选自CdS和/或TiO₂。

本发明还提供了一种光催化系统的制备方法，包括：

提供铁电衬底；所述铁电衬底由铁电材料形成；

在所述铁电衬底上生长导电层；