[发明专利]光催化剂和光催化剂薄膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种光催化剂和光催化剂薄膜及其制备方法与应用。其中光催化剂包括：芯部、中间层和外层；所述芯部包括第一半导体材料；所述中间层包覆在所述芯部的外周，其中包括压电材料；所述外层负载在所述中间层的外周，其中包括第二半导体材料和/或具有表面等离子体效应的金属纳米颗粒，所述第二半导体材料和所述第一半导体材料相同或不同。该光催化剂通过在包括第一半导体的芯部和包括第二半导体和/或具有表面等离子体效应的金属纳米颗粒的外层之间形成压电材料，并对压电材料进行可选的极化处理，实现光生载流子的定向传输的效果，以进一步提高所制备的该催化剂的光催化杀菌效率。

技术领域

本发明涉及光催化反应领域，具体地，涉及一种光催化剂和光催化剂薄膜及其制备方法与应用，还涉及一种TiO₂/BaTiO₃/Au光催化剂薄膜的制备方法。

背景技术

目前人们致力于将光催化技术应用于水处理方面，并且研发了多种光催化杀菌半导体材料。二氧化钛作为一种性能稳定高效光催化剂，具有价格低廉，化学性质稳定，无毒无腐蚀等优点，使其成为目前研究最为深入和广泛的半导体材料之一。但是其作为新功能材料的研发，也面临很多局限性，如催化效率(杀菌效率)不高、只能利用紫外光，或者催化剂失活等。基于此，开发和构建新型异质结构已成为目前获得高性能光催化材料的重要手段。

光催化半导体材料按照载流子特征可分为n型半导体和p型半导体。将不同类型的半导体材料复合可制得不同类型复合光催化剂，主要复合类型有n-n型、p-p型和p-n型。其中p-n异质结不但能够通过敏化作用扩展宽带隙半导体的波长范围，而且能够通过内建电场抑制载流子复合，大幅度提高材料的光催化性能，因此备受国内外广泛关注。但是，p-n形成的内建电场，尽管可以实现光生载流子的分离，但固定的内建电场的分离作用，会随着光催化过程的进行，p-n结两端电场两极部分电荷积累，逐渐降低电荷分离作用，从而抑制了电荷的分离，降低光催化(杀菌)性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种光催化剂和光催化剂薄膜及其制备方法与应用，以改善光催化剂的杀菌效果。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光催化剂，该光催化剂包括：芯部、中间层和外层，所述芯部包括第一半导体材料；所述中间层包覆在所述芯部的外周，所述中间层包括压电材料；所述外层负载在所述中间层的外周，所述外层包括第二半导体材料和/或具有表面等离子体效应的金属纳米颗粒，所述第二半导体材料和所述第一半导体材料相同或不同。

根据本发明的第二个方面，提供了一种光催化薄膜，该光催化薄膜包括导电基板和以陈列形成在所述导电基板上的光催化剂，所述光催化剂为根据本发明所述的光催化剂，所述光催化剂中芯部与所述导电基板相连

根据本发明的第三个方面，提供了一种根据本发明上述光催化剂的制备方法，该制备方法包括：S1、提供包括第一半导体材料制备的芯部；S2、在所述芯部的外周包覆形成包括压电材料的中间层，得到中间体；S3、在所述中间体的外周形成包括第二半导体材料和/或具有表面等离子体效应的金属纳米颗粒的外层，得到所述光催化剂，所述第二半导体材料和所述第一半导体材料相同或不同。

根据本发明的第四个方面，提供了一种TiO₂/BaTiO₃/Au光催化剂的制备方法，该制备方法包括：S1、在导电基板上生长TiO₂纳米线阵列；S2、配制含有氢氧化钡与四丁基氢氧化铵的原料混合液，在化学合成反应条件下，将形成有TiO₂纳米线阵列的导电基板置于所述原料混合液中，以在各TiO₂纳米线的外周形成BaTiO₃包覆层，得到生长有中间体阵列的导电基板；S3、将生长有中间体阵列的导电基板置于磁控溅射装置中，通过磁控溅射法在各中间体上形成金纳米颗粒外层，得到生长有光催化剂阵列的导电基板；优选进一步对生长在导电基板上的光催化剂的外层进行还原处理。

根据本发明的第五个方面，提供了一种根据本发明上述的光催化剂或光催化剂薄膜在水处理杀菌中的应用。