[发明专利]基于光电性能高通量筛选光催化剂的方法及其专用芯片

说明书

技术领域

本发明涉及新能源利用和新材料开发交叉领域，具体是指一种基于光电性能高通量筛选光催化剂的方法，该方法利用多外场作用下材料所展现的光电性能来高通量快速筛选半导体光催化剂。

技术背景

光催化技术在环境保护、太阳能利用和新功能材料开发等方面具有广阔的应用前景，是具有重大经济效益和社会效益的高新技术。光催化是解决目前人类所面临的环境危机和能源危机问题上极具潜力的途径之一，目前越来越受到人们的关注。

光催化的基本原理是，半导体光催化剂在光子的激发下，能够产生大量的活性物质(还原性电子和氧化性空穴)，来对水体和大气中的有机污染物进行降解。二氧化钛(TiO₂)是研究最为广泛的光催化剂，但是TiO₂的的禁带宽度达到3.2eV，只能吸收太阳光中波长小于385nm的光子，这部分能量只占到太阳能的4％～5％。另一方面，TiO₂内部电子空穴的分离率很低，导致大部分光生电子空穴又再次复合，从而降低了材料的量子效率。因此，如何开发具有可见光响应且光生电荷分离效率更好的新型光催化剂来提高太阳能的利用率，成了国内外研究的焦点。目前评价催化剂的性能主要还是通过构建光催化反应平台，来模拟有机物降解的过程。这个通用的方法可以描述为将光催化剂安置在一定容积的密封反应器中，然后往反应器中加入一定浓度的液体或者气体，使待降解物质与催化剂充分接触，最后利用某种光源来照射光催化剂，同时监测反应器中污染物的浓度变化。反应器中的污染物浓度衰减的越快，表明催化剂的性能越优异，从而来筛选催化性能好的材料体系。但是这样的降解过程通常要消耗几个小时到几十个小时不等，而且每次降解的过程只能评价一种材料体系，所以通过这种催化降解的模拟过程来评价和筛选光催化剂效率是非常低的。不仅如此，表观降解效率只能展现特定催化剂在特定污染物下所展现的特定降解性能，所能获得的信息是非常单一和表观的。因此如何突破传统方法，实现快速有效的评价和筛选光催化剂将是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光电性能高通量筛选光催化剂的方法，该方法是快速且高通量的，并且可以获取催化剂的各种基本物理化学参数；本发明还提供了该方法的一种专用材料芯片。

本发明提供的一种基于光电性能高通量筛选光催化剂的方法，通对材料芯片施加包括光照和电压在内的外场，测量材料芯片中各样品的电流变化情况，获取各样品材料的表观、物理和化学层次的相关信息，所述材料芯片上有不同成分的材料体系样品。

上述技术方案中，所述半导体材料相关信息包括下述参数中的至少一种：光电导、载流子浓度、载流子迁移率、电子空穴复合率、光电转化效率、载流子寿命、载流子氧化还原能力，以及晶粒的晶界势垒、表面缺陷浓度和耗尽层宽度；所述的光照为任何能发射光子的照射源产生的辐照光，包括太阳光、氙灯、荧光灯管或LED光源；所述的电场为产生各种形式偏置电压但是可控的电源信号，包括直流稳压电源、高精度电流源或函数信号发生器，电源信号为电压信号或者电流信号；所述外场可以包括热场，该热场能够将材料芯片四周气氛的温度在室温至600℃内实现可控；所述外场也可以还包括磁场，磁场为平行磁场，磁场方向可控，磁场覆盖区域大于材料芯片的面积，并且保证芯片中每个样品所在的磁场空间强度和方向都是完全一致的；所述外场还可以包括气氛，该气氛是指将所述材料芯片置于气密封的腔体内，腔体内部的气体氛围可控，所述腔体内的湿度在5～95％RH内连续可控，控制精度在2％RH以内。

本发明提供的所述方法的专用材料芯片，其特征在于，该材料芯片为氧化铝陶瓷基片，表面印有电极阵列，每个电极引出到基底的边缘作为电极接口，每个电极上分别制备不同种类的所述材料体系样品，即待测试的光催化剂材料。

本发明旨在提供一种对催化剂进行评价与筛选的新方法。传统的评价方法是通过构建光催化反应平台，来模拟光催化的降解过程。该方法耗时长，一次只能评价单个样品，并且只能获得表观的降解性能。本发明中公开的方法是通过建立材料光电性能与光催化性能的联系，基于光电性能来高通量筛选光催化剂。本发明中涉及的光电性能获取需要一个高通量的材料芯片，以及光、电、磁、热、气氛等多个可控外场的条件。具体而言，本发明具有以下技术特点：

1、本发明提供了一种新的光催化剂评价和筛选的方法。该方法中所述的测试方法耗时短，一次可对多个样品进行测试，并且可以获取材料多层次多参数的性能指标。该方法不但为光催化性能好且太阳能利用率高的材料开发提供了极大的便利，还可以同时建立大量的材料基本性能数据库，为新材料的设计提供理论支持。