光催化剂和光催化剂薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
光催化剂和光催化剂薄膜及其制备方法与应用
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，根据本专利技术的一个方面，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。根据本专利技术的第二个方面，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专利技术所述的光催化剂，所述光催化剂中芯部与所述导电基板相连根据本专利技术的第三个方面，提供了一种根据本专利技术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。根据本专利技术的第四个方面，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。根据本专利技术的第五个方面，提供了一种根据本专利技术上述的光催化剂或光催化剂薄膜在水处理杀菌中的应用。根据本专利技术的第六个方面，提供了一种医疗器械，该医疗器械的工作表面上形成有抗菌层，所述抗菌层包括根据本专利技术所述的光催化剂或光催化剂薄膜。应用本专利技术所提供的这种光催化剂和光催化剂薄膜及其制备方法与应用，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，并利用压电材料的极化特性，有利于实现光生载流子的定向传输的效果，使得该光催化剂既能够降低光生载流子(电子和空穴)的复合，以进一步提高所制备的该催化剂的光催化杀菌效率。其中TiO2/BaTiO3/Au光催化剂除了能够提高所制备的该催化剂的光催化杀菌效率外，通过将能够吸收紫外光的二氧化钛纳米棒和能够吸收可见光的金纳米颗粒结合在一起能够扩增催化剂对可见光的响应，以进一步增强所制备的催化剂的光催化效率。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1示出了根据本专利技术的一种实施方式中的光催化剂的俯视结构示意图；图2示出了根据本专利技术的一种实施方式中的光催化剂的立体结构示意图；图3示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜的X-射线衍射(XRD)图谱；图4中(a)示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜的俯视结构的扫描电镜图(2μm)；(b)示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜的俯视结构的扫描电镜图(500nm)；(c)示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜的横截面结构的扫描电镜图(1μm)；(d)示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜中单根光催化剂的透射电镜图(50nm)；(e)示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂中单根光催化剂的透射电镜图(10nm)；(f)示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂中单根光催化剂的透射电镜的高分辨图(5nm)；图5示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜在100mW/cm2下，针对于革兰氏阴性菌大肠杆菌的光催化杀菌的效果图；图6示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜在100mW/cm2下，针对于革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的光催化杀菌的效果图；图7示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜的在100mW/cm2下，针对于革兰氏阴性菌大肠杆菌的光催化杀菌效果的重复曲线；图8示出了根据本专利技术实施例1制备的TiO2/BaTiO3/Au光催化剂薄膜的在100mW/cm2下，针对于革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的光催化杀菌的重复曲线。附图标记说明10为芯部、20为中间层、30为外层。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。根据本专利技术的第一个方面，提供了一种光催化剂，如图1和图2所示，该光催化剂包括：芯部10、中间层20和外层30。所述芯部10包括第一半导体材料；包覆在所述芯部10的外周，所述中间层20包括压电材料；负载在所述中间层20的外周，所述外层30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。根据本专利技术光催化剂，重点在于在包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光催化剂，其特征在于，所述光催化剂包括：芯部(10)，所述芯部(10)包括第一半导体材料；中间层(20)，所述中间层(20)包覆在所述芯部(10)的外周，其中包括压电材料；外层(30)，所述外层(30)负载在所述中间层(20)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。

【技术特征摘要】
1.一种光催化剂，其特征在于，所述光催化剂包括：芯部(10)，所述芯部(10)包括第一半导体材料；中间层(20)，所述中间层(20)包覆在所述芯部(10)的外周，其中包括压电材料；外层(30)，所述外层(30)负载在所述中间层(20)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。2.根据权利要求1所述的光催化剂，其中，所述压电材料为经过极化处理的压电材料；优选所述压电材料选自钛酸钡、钛酸铅和氧化锌中的一种或几种。3.根据权利要求1或2所述的光催化剂，其中，所述第一半导体材料和第二半导体材料分别独立地选自二氧化钛、钒酸铋、二氧化锡、硫化镉、氧化亚铜、硫化铜、氧化银和硫化银中的一种或几种；所述金属纳米颗粒中金属材料选自金、银和铜中的一种或几种。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的光催化剂，其中，所述外层(30)中包括第二半导体材料时，所述第二半导体材料为与所述第一半导体材料类型不同的p型半导体材料或n型半导体材料。5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光催化剂，其中，所述芯部(10)为纳米线、纳米管或纳米级薄膜。6.根据权利要求5所述的光催化剂，其中，所述芯部(10)为纳米线或纳米管时，芯部的直径范围为80～200nm，长度为1～20μm，所述芯部(10)纳米级薄膜时，芯部的厚度范围为50nm～20μm；所述中间层(20)的厚度范围为2～10nm；所述外层(30)的厚度范围为5～50nm，所述外层(30)中金属纳米颗粒的粒径为2～20nm。7.根据权利要求1所述的光催化剂，其中，所述芯部(10)为二氧化钛纳米线，所述中间层(20)为钛酸钡包覆层，所述外层(30)为金纳米颗粒负载层。8.一种光催化薄膜，其特征在于，所述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，所述光催化剂为权利要求1至7中任意一项所述的光催化剂，所述光催化剂中的芯部与所述导电基板相连。9.一种权利要求1至7中任意一项所述的光催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1、提供包括第一半导体材料的芯部；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。10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，所述S1中芯部为纳米线、纳米管或纳米级薄膜；优选所述S1中芯部为纳米线或纳米管，更优选地，所述S1中在导电基板上生长第一半导体材料的纳米线阵列或纳米管阵列，并以生长在所述导电基板上的纳米线阵列或纳米管阵列作为芯部进行后续的步骤S2-S3。11.根据权利要求9所述的制备方法，其中，所述S2中通过促使其他材料与芯部材料发生化学合成反应以在所述芯部的外周形成包括压电材料的中间层；或者通过水热合成法在所述芯部的外周形成包括压电材料的中间层；或者通过磁控溅射法在所述芯部的外周形成包括压电材料的中间层；所述S3中通过磁控溅射法形成包括第二半导体材料的外层；或者通过磁控溅射法形成包括金属纳米颗粒的外层；或者先通过水热合成法形成第二半导体材料前驱体层，再通过烧结将第二半导体材料前驱体转化为第二半导体材料，以形成包括第二半导体材料的所述外层；优选地，所述S3中通过磁控溅射法形成包括金属纳米颗粒的外层时，还包括对...

【专利技术属性】
技术研发人员：于欣，李琳琳，王舒，王中林，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11