[发明专利]一种光电催化装置及光电催化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电催化装置及光电催化方法，具体涉及一种光催化薄膜和热电器件联用的光催化装置以及光电催化方法。

背景技术

环境污染及能源危机是目前制约人类社会发展的两大瓶颈，半导体光催化技术有望解决这两大难题，其研究和应用引起了人们的广泛关注。光催化环境净化技术是利用光激发半导体分解有机物的过程。其机理是半导体光催化剂受到光激发产生非平衡载流子即光生电子与空穴，电子与空穴迁移到半导体表面后，由于具有很强的氧化及还原能力，可跟与之接触的有机污染物发生氧化还原反应，将有机物分解为小分子并最终分解为CO₂和水。由于光催化可利用自然界中的光能长期工作，使其在环境污染治理领域有广阔的应用前景。半导体光催化技术缓解能源危机的途径是通过其光催化分解水制氢实现。其机理是半导体光催化剂受光激发后，产生的电子空穴迁移到表面后分别与水发生氧化还原反应，生成氢气与氧气。

目前限制光催化技术大规模应用的核心问题一是光催化效率低，二是太阳能利用率低。光催化性能很大程度上取决于光生电子—空穴对的分离效率。分离效率越高，催化活性一般也越好。因此抑制电子—空穴的复合有利于提高催化性能。由于半导体光催化剂的导带对高活性电子的捕获能力有限，容易导致高活性电子与光生空穴的再复合。而光电催化可以利用外加电场的阳极，捕获高活性电子，从而避免了光生空穴和高活性电子的再复合，从而提高了光催化反应效率。由于目前光电催化需要外加电源，成本较高，因此光电催化技术在实际应用中也没有获得大规模推广。如何实现不需外加电源的光电催化是目前的技术难题。

发明内容

本发明旨在克服现有光催化方法的缺陷，本发明提供了一种光催化装置及光催化方法。

首先，本发明提供了一种光催化装置，所述光电催化装置包括：沉积在导电衬底上的光催化薄膜，以及与所述光催化薄膜电连接的热电器件，其中，所述热电器件的表面具有光致热材料。

本发明的光催化装置中，光催化薄膜和热电器件联用，一方面因热电器件产生的电势施加在光催化薄膜上促进了光生载流子分离，无需外加电源即可极大提高光催化效率。而且热电器件产生的电能只需红外光、可见光照下即可实现，因此这个装置还增加了太阳能利用率。相比传统的光电催化装置，该发明既提高了催化效率又提高了光能利用，更具有应用前景。

较佳地，所述光催化薄膜的材料选自紫外、可见或红外光催化材料，包括Bi₂WO₆、BiVO₄、TiO₂、SrTiO₃、WO₃、ZnO、MoS₂。

较佳地，所述光致热材料选自碳类、硫化物窄带隙半导体类或贵金属光热材料，包括氧化石墨烯、CuS、Au、Ag、碳纳米管。

较佳地，所述热电器件通过导电胶电连接至所述光催化薄膜。

另一方面，本发明还提供一种光电催化方法，所述光电催化方法包括：

利用沉积在导电衬底上的光催化薄膜在光激发下产生的光生电子与空穴降解与之接触的有机污染物；

利用热电器件将其表面的光致热材料在可见光或红外光的照射下产生的热能，转化为电能并施加在与其电连接的光催化薄膜上以促进所述光生电子与空穴分离。

本发明的方法里利用光催化薄膜和热电器件联用，一方面因热电器件产生的电势施加在光催化薄膜上促进了光生载流子分离，无需外加电源即可极大提高光催化效率。而且本发明的方法还能提高太阳能利用率。相比传统的光电催化方法，该发明既提高了催化效率又提高了光能利用，而且本发明实施无需特殊设备和苛刻条件，工艺简单，可控性强，容易实现规模化生产，具有实用性。

较佳地，所述光催化薄膜的材料选自紫外、可见或红外光催化材料，包括Bi₂WO₆、BiVO₄、TiO₂、SrTiO₃、WO₃、ZnO、MoS₂。

较佳地，所述光致热材料选自碳类、硫化物窄带隙半导体类或贵金属光热材料，包括氧化石墨烯、CuS、Au、Ag、碳纳米管。

较佳地，所述热电器件通过导电胶电连接至所述光催化薄膜。

较佳地，所述有机污染物包括烷烃及芳香烃类有机污染物、有机染料、无机氨氮，具体包括苯酚、甲醛。

本发明的有益效果：