[发明专利]一种二氧化钛‑有机钙钛矿复合光催化薄膜及制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化薄膜，具体为一种二氧化钛-有机钙钛矿复合光催化薄膜及制备和应用。

背景技术

自从1955年，Brattain和Garret发现了锗半导体电极的光生伏特现象开始，到1972年Fujishima又发现了N型半导体TiO₂能在光的照射下电解水，从而宣告了一个利用光催化方法解决污染问题新纪元的到来。在过去几十年里，光催化技术已经广泛应用于降解环境中有机污染物和光解水产氢能源的领域。TiO₂由于具有物理化学性质和光化学性质稳定，无毒、价廉、光催化活性高，可在常温常压工作，反应次数多，持续时间长，容易获得等优点而成为光催化剂的首选材料。

一般来说，TiO₂光催化过程分为三步：(1)光照使得电子从价带跃迁到导带，在价带和导带上产生等量的电子和空穴；(2)受激产生的电子和空穴移动到TiO₂材料表面；(3)电子与O₂，空穴与水溶液中的H₂O或HO结合形成性质活泼的自由基基团将有机物氧化为CO₂和水。此三步的协同结果决定了其催化效率的最终效果。TiO₂固然有很多优点，但也有一些局限性。最显著的是，TiO₂是一种禁带宽度为3.2eV的宽禁带半导体，其光催化特性只限于紫外波段，而紫外光只占太阳光的4％-5％，这直接导致其对光吸收波长范围狭窄、利用率低。为解决该问题，人们通常采用金属/非金属掺杂的方法来调节其禁带宽度，从而增强对光的吸收效率。然而，掺杂却有可能导致新问题的产生。例如，对于单一金属掺杂而言，由于在禁带内部所形成的超强局域态会大大降低载流子迁移能力；而对于单一非金属掺杂，引入的部分填满的杂质能级作为载流子新的复合中心而导致光生载流子效率降低。这些结果最终都会限制光催化效率的提高。

最近，作为光电转换领域的一颗新星，有机钙钛矿薄膜太阳能电池格外引人注目。仅仅经过短短五年时间，其转换效率已经从最初的3.8％提高到如今的20.1％。钙钛矿太阳能电池的性能之所以如此出色，与其结构中最关键光吸收材料的性能分不开。以最常用的CH₃NH₃PbI₃为例，其带隙约为1.5eV，能充分吸收400～800nm的可见光，比钌吡啶配合物N719高出一个数量级。另外，它还有很好的电子传输能力，并具有较少的表面态和中间带缺陷，这些优点是钙钛矿太阳能电池能够实现高效率光电转化的原因。需要注意的是，上述优点恰好也是高效光催化薄膜所必须的。但是，有机钙钛矿层虽然稳定性较差，不能与水溶液接触，也限制了其应用的范围。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种二氧化钛-有机钙钛矿复合光催化薄膜及制备和应用，膜厚均匀、薄膜与衬底的附着力强，方法重复性和可控性好、能够很好地满足量产要求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种二氧化钛-有机钙钛矿复合光催化薄膜，包括衬底，以及在衬底上依次自下而上生长的有机钙钛矿薄膜层和TiO₂薄膜层。

优选的，所述TiO₂薄膜层的面积要大于其下层有机钙钛矿薄膜层的面积，用于将下层的有机钙钛矿薄膜完全包覆在衬底和TiO₂薄膜层之间。

优选的，所用衬底为玻璃或FTO导电玻璃。

优选的，所述有机钙钛矿薄膜层成份为CH₃NH₃PbI₃，CH₃NH₃PbBr₃或CH₃NH₃PbBr_xI_3-x，其中，0<x<3。

优选的，所述TiO₂薄膜层是锐钛矿晶型。

一种二氧化钛-有机钙钛矿复合光催化薄膜的制备方法，按下述步骤进行，

a)在清洗干燥后的衬底上采用旋涂或气相沉积在衬底表面制备有机钙钛矿薄膜；

b)将制备有机钙钛矿薄膜的衬底放在加热台上进行退火处理，退火温度为80～110℃，退火时间为30～60分钟；

c)在退火后的有机钙钛矿薄膜上制备TiO₂薄膜层得到复合薄膜基体；