[发明专利]一种基于金属-半导体复合结构的光催化材料及其制备方法与磁场辅助应用

说明书

本发明涉及一种基于金属‑半导体复合结构的光催化材料及其制备方法与磁场辅助应用，本发明将不同形貌的金属(金(Au)纳米棒、纳米颗粒、银(Ag)纳米线、钼(Mo)纳米片等)与半导体光催化剂硫化镉纳米颗粒构建得到金属/半导体复合结构的光催化材料，该光催化材料通过外部磁场辅助，在磁场中通过切割磁感线在金属导体中产生感应电势，来促进半导体光生载流子的分离，提高半导体光催化性能。

技术领域

本发明涉及一种基于金属-半导体复合结构的光催化材料及其制备方法与磁场辅助应用，属于光催化材料技术领域。

背景技术

半导体光催化剂是一种具有极大潜力来实现从太阳能到化学能转化的可持续技术。制备具有高效的光催化性能的光催化剂仍然是一个热门的研究领域。除了改善光吸收，抑制光生载流子的复合也是目前一个巨大的挑战。通常来说，在光催化剂中内建电场的构建是一个关键的策略来抑制光生电荷的重结合并促进载流子的输运。实现这一目的最重要的方法有：基于肖特基异质结、p-n结、能带结构的匹配构建半导体异质结，这样可以在异质结构的界面处产生实现载流子分离的内建电场，然而，这是由材料的固有性质决定的，效率相对较低。引入外场被认为是人为实现可控和高效载流子分离的重要途径。通过在电极上的外加电场可以实现光生载流子的显著提高。但是，对于施加外部电场，将光催化剂固载到电极上是必要的途径。因此对于光催化剂，良好的导电性和半导体性能的要求限制了催化剂层在电极上的厚度。同时，还需要一个外部循环的电路，这会导致体系更加复杂。同时这些要求限制了再外加电场体系中光催化剂的负载量，虽然光电化学效率实现了显著地提高，但是光催化剂整体效率不足。

相比之下，对于具有较高光催化活性的粉体光催化剂，促进光生载流子分离的途径不是通过连接到外部电路来实现的。因此，大多数研究都集中在异质结构的构建上，在异质结构界面处产生内建电场，提供促进光生载流子分离的驱动力。无线电场的应用一直是一个巨大的挑战。幸运的是，存在特定的纳米材料在合适的条件下产生电势。通过将这些特殊的材料与光催化剂相结合，所提供的电势作为伴随电势的供应与光催化剂一起分散在水中。因此，这可以提供促进粉体光催化剂载流子分离所需的电场。

磁场感应电流广泛应用于我们的日常生活中，那些可以产生磁电势的纳米材料可以潜在的作为提供无线电场源与光催化剂相结合。根据法拉第电磁感应原理，垂直于磁场方向运动的金属基纳米材料能够产生感应电动势。微观描述是在垂直于磁场方向运动的金属导体，在切割磁感线的过程中其内部的自由电子受到洛伦兹力的作用发生极化。通过能产生磁电势的金属材料与半导体光催化剂复合促进半导体光生载流子的分离，在此基础上，有望大幅度提高光催化性能。

经检索，将产生磁电势的金属材料与半导体光催化剂复合得到光生载流子分离率高、光催化性能高的催化材料还未见相关报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于金属-半导体复合结构的光催化材料及其制备方法与磁场辅助应用。

本发明将不同形貌的金属(金(Au)纳米棒、纳米颗粒、银(Ag)纳米线、钼(Mo)纳米片等)与半导体光催化剂硫化镉纳米颗粒构建得到金属/半导体复合结构的光催化材料，该光催化材料通过外部磁场辅助，在磁场中通过切割磁感线在金属导体中产生感应电势，来促进半导体光生载流子的分离，提高半导体光催化性能。

本发明的技术方案如下：

一种基于金属-半导体复合结构的光催化材料,所述的光催化材料为不同形貌的金属与半导体光催化剂构建的复合结构材料，复合结构材料为半导体光催化剂均匀包覆在金属表面的核壳结构，半导体光催化剂均匀原位生长在金属上，所述的金属为金(Au)、银(Ag)或钼(Mo)，半导体光催化剂为硫化镉纳米颗粒。

根据本发明优选的，金(Au)的形貌为纳米棒或纳米颗粒，纳米棒的长度为40-50nm，纳米颗粒的大小为40-50nm。

根据本发明优选的，银(Ag)的形貌为纳米线，纳米线长度为200-300nm。