[发明专利]一种自发光的光电协同催化电极及其应用

说明书

本发明公开了一种自发光的光电协同催化电极，其包括基底、外延层、n型半导体材料层、p型半导体材料层、催化材料层；本发明电极首先制备基底上制备外延层，外延层上制备p或n型半导体材料层，后在其表面生长一定量的n或p型半导体材料，两种材料接触形成p‑n结；最后在p‑n结层上制备一层过渡金属氧化物，能有效的耦合光电催化效应，提升电极的催化反应性能，本发明电极适用于各种复杂环境中的光电催化反应。

技术领域

本发明涉及水污染处理领域，具体涉及一种自发光的光电协同催化电极及其应用。

背景技术

光电催化反应以其二次污染少、成本低、工艺简单等特点著称，近年有大量研究将半导体材料应用于光电催化领域，研究报道了大量的可见光光催化材料，但其在实际应用时存在困难。常规光催化材料应用时需设置外加光源且应用环境中因传播介质导致大部分的光无法透过，大部分的光在传播过程中被吸收尤其是短波段部分几乎无法达到催化剂表面激发其催化活性，导致光电催化在水处理、尾气净化、电化学合成等领域大规模应用受限，如何激发催化剂在复杂环境中尤其是弱光无光环境中光电协同的催化性能成为其大规模应用的瓶颈问题。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种用于弱光源或无光源环境中运行稳定、高效光电催化反应的自发光电极。

本发明自发光的光电协同催化电极包括基底、外延层、n型半导体材料层、p型半导体材料层、催化材料层，当电极为阳电极时，基底上覆盖一层厚度3~5μm外延层，厚度1~3μm的p型半导体材料层设置在外延层上，厚度1~3μm的n型半导体材料层设置在p型半导体材料层上，n型半导体材料层是由若干条间距相等的条块组成，催化材料层设置在n型半导体材料层和p型半导体材料层上，厚度为1~2μm；

当电极为阴电极时，基底上覆盖一层厚度3~5μm的外延层，厚度1~3μm的n型半导体材料层设置在外延层上，厚度为1~3μm p型半导体材料层设置在n型半导体材料层上，p型半导体材料层是由若干条间距相等的条块组成，催化材料层设置在p型半导体材料层和n型半导体材料层上，厚度为1~2μm。

所述基底为蓝宝石（Al₂O₃）、SiC、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Si中的一种。

所述外延层的材料是选择n型半导体材料层或p型半导体材料层中原子序数最高的两种元素制备而成。

所述n型半导体材料是在Ⅲ族元素和Ⅴ族元素中掺入O、S、Se、Te、C、Si、Ge中一种或几种制得，O、S、Se、Te、C、Si、Ge的掺入量为n型半导体材料总摩尔量的10^-9-1%；或n型半导体材料是在Ⅱ族元素和Ⅵ族元素中掺入Cl、Br、I中一种或几种制得，Cl、Br、I的掺入量为n型半导体材料总摩尔量的10^-9-1%；或n型半导体材料是在Ⅱ族元素和Ⅵ族元素中掺入B、Al、Ga、In中一种或几种制得， B、Al、Ga、In中一种或几种的掺入量为n型半导体材料总摩尔量的10^-9-1%。

所述p型半导体材料在Ⅲ族元素和Ⅴ族元素中掺入Zn、Be、Mg、Cd中一种或几种制得，Zn、Be、Mg、Cd中一种或几种的掺入量为p型半导体材料总摩尔量的10^-9-1%；或p型半导体材料是在Ⅱ族元素和Ⅵ族元素中掺入Li、Na、K中一种或几种制得，Li、Na、K中一种或几种的掺入量为p型半导体材料总摩尔量的10^-9-1%；或p型半导体材料是在Ⅱ族元素和Ⅵ族元素中掺入N、P、As、Sb、Bi中一种或几种制得，N、P、As、Sb、Bi中一种或几种的掺入量为p型半导体材料总摩尔量的10^-9-1%。

所述Ⅲ族元素为B、Al、Ga、In中的一种或几种，Ⅴ族元素为N、P、As、Sb、Bi中的一种或几种，Ⅱ族元素为Zn、Mg、Cd、Be中的一种或几种，Ⅵ族元素为O、S、Se、Te中的一种或几种。

n型半导体材料或p型半导体材料中所有元素加权平均原子序Z≤40。