[发明专利]半导体异质结/同质结及其制备方法和具有其的光催化剂

说明书

本发明公开了半导体异质结/同质结及其制备方法和具有其的光催化剂，半导体异质结/同质结包括：第一半导体层和第二半导体层，第一半导体层设在第二半导体层上，所述第一半导体层和所述第二半导体层中至少之一的厚度不超出所述半导体异质结/同质结的空间电荷区宽度。该半导体异质结/同质结具有优异的氧化还原能力、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和良好的稳定性，从而提高基于半导体异质/同质结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，解决现有技术中光催化剂只能光解水制氢或降解污染物以及光全解水时效率低下的难题。

技术领域

本发明主要应用于光催化领域，具体涉及一种半导体异质结/同质结及其制备方法和具有其的光催化剂。

背景技术

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。2001年，邹志刚等制备的NiO_y/In_1-xNi_xTaO₄(x＝0-0.2)系列光催化剂，首次实现了在可见光照射下稳定有效地光全解水。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。

然而，根据美国能源部测算：全解水光催化剂要实际应用的话，太阳能利用率应达到5％，因而需要开发更高效的光全解水系统。现有光催化剂的主要局限依然在于光生电子-空穴对的迅速复合和有限的可见光吸收能力，为了解决此问题，一种最广泛使用的策略是采用半导体异质结光催化剂。

目前，最常见的半导体异质结光催化剂有三种类型，分别是非p-n型异质结(其中能最有效把电子-空穴对分开的是能带交错型，如Zhou et al.制备的SnO₂/TiO₂光催化剂)、p-n型异质结(如J.G.Yu et al.制备的NiS/CdS光催化剂属p-n型异质结，该催化剂在可见光照射下光解水制氢效率是纯CdS的20倍左右)和直接Z型异质结(如2014年Katsumata etal.制备了WO₃/g-C₃N₄直接Z型异质结光催化剂，该催化剂在可见光照射下光解水制氢效率比纯WO₃和g-C₃N₄都高得多)。其中，直接Z型异质结光催化剂由于具备更强的氧化还原能力，因而更适合用于光催化全解水，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，这种异质结光催化剂却可以利用更大范围的可见光，图1所示是此异质结的示意图。

早在2009年，A.Kudo等制备了Ru-loaded SrTiO₃：Rh/BiVO₄直接Z型异质结光催化剂，该催化剂在可见光照射下能有效地光全解水产生氢气和氧气；近年来，这方面的研究获得了更多成果，比如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％。