光催化结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种光催化结构，该光催化结构包括一基板、一光催化活性层、以及一金属层。所述基板、光催化活性层和金属层依次层叠设置。所述基板包括一基底以及多个设置于该基底上的图案化的凸起。所述图案化的凸起包括多个凸条交叉设置形成网状结构，从而定义多个孔洞。所述多个凸条的交叉处为一体结构。所述光催化活性层设置在图案化的凸起的表面。所述金属层包括多个纳米颗粒，所述纳米颗粒设置在光催化活性层远离所述基板的表面。

【技术实现步骤摘要】
光催化结构及其制备方法
本专利技术涉及光催化及光电催化

技术介绍
光催化技术是指光催化剂在能量大于其禁带宽度的入射光照射下，产生具有很强还原性和氧化性的光生电子-空穴对，这些电子-空穴对可以与光催化结构表面吸附的物质发生氧化还原反应。光催化的潜在应用主要分布在以下几个领域：光分解水产生氢气、人工光合作用、光氧化或分解有害物质、光电化学转化和光致超亲水性等。二氧化钛作为一种光催化结构具有耐酸性好，对生物无毒且具有较大的资源储量等优点，因此成为研究最为广泛的光催化结构。但是由于二氧化钛的禁带宽度较大，基本上只能吸收紫外光，而紫外光只占太阳光中的4％左右，太阳光中占较大比例的可见光不能够利用。而且现有技术中，二氧化钛对紫外光的吸收能力也有限的，对紫外光的利用也不能达到100％。因此人们致力于对二氧化钛进行改性，以期提高二氧化钛对太阳光的利用率。光电催化是指将光催化结构固定在导电的金属上，同时，将固定后的光催化结构作为工作电极，采用外加恒电流或恒电位的方法迫使光致电子向对电极方向移动，因而与光致空穴发生分离。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种能够提高太阳光利用率的光催化结构。一种光催化结构，该光催化结构包括一基板、一光催化活性层、以及一金属层；所述基板、光催化活性层和金属层依次层叠设置；所述基板包括一基底以及多个设置于该基底上的图案化的凸起；所述图案化的凸起包括多个凸条交叉设置形成网状结构，从而定义多个孔洞；所述多个凸条的交叉处为一体结构；所述光催化活性层设置在图案化的凸起的表面；所述金属层包括多个纳米颗粒，所述纳米颗粒设置在光催化活性层远离所述基板的表面。一种光催化结构的制备方法，包括以下步骤，提供一基板；提供一具有多个微孔的碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及一包覆于该碳纳米管结构表面的保护层，且该碳纳米管结构包括多个交叉设置的碳纳米管；将所述碳纳米管复合结构设置于所述基板的一表面，从而使得所述基板的表面部分暴露；以该碳纳米管复合结构为掩模干法刻蚀所述基板，从而得到一具有图案化的凸起的基板，且该图案化的凸起包括多个交叉设置的凸条；在所述图案化的凸起的表面沉积一光催化活性层；在所述光催化活性层远离所述基板的表面沉积一金属预制层；对上述金属预制层进行退火处理。相较于现有技术，本专利技术提供的光催化结构及其制备方法具有以下优点：第一，光催化活性层设置在图案化的凸起的表面，而图案化的凸起包括多个凸条交叉设置形成网状结构，图案化的凸起可以增加比表面积，提高对反应物的吸附能力；第二，基于表面等离激元的金属纳米颗粒设置于所述光催化活性层的表面，在外界入射光电磁场的激发下，金属表面等离子体发生共振吸收，一方面由局域表面等离激元共振效应激发的电子处于激发态，能够通过弛豫过程越到二氧化钛导带上；另一方面通过能量或者电荷载流子的转移，表面等离激元共振还能通过抑制电子空穴对的复合率激发更多的自由电子，提升二氧化钛导带中的电子数量，从而提高对可见光的吸收和利用率；第三，通过调节碳纳米管膜的层数和交叉方式可以控制基板的图案化结构，进而可以控制二氧化钛与金属的复合结构，从而控制对特定波段可见光达到最大吸收。附图说明图1为本专利技术第一实施例提供的光催化结构的结构示意图。图2为本专利技术第一实施例提供的光催化结构沿Ⅱ-Ⅱ方向的剖视图。图3为本专利技术第一实施例提供的光催化结构的制备方法流程图。图4为图3的碳纳米管复合结构的沿线IV-IV的截面图。图5为本专利技术第一实施例采用的碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。图6为本专利技术第一实施例采用的非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。图7为本专利技术第一实施例采用的扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。图8为本专利技术第一实施例提供的碳纳米管复合结构的扫描电镜照片。图9为本专利技术第一实施例提供的碳纳米管复合结构的包覆三氧化二铝层的单根碳纳米管的扫描电镜照片。图10为本专利技术第一实施例采用不同层数碳纳米管拉膜刻蚀得到的基板的扫描电镜照片。图11为本专利技术实施例1B制备的光催化结构的原子力显微镜照片。图12为本专利技术实施例1D制备的光催化结构的原子力显微镜照片。图13为本专利技术实施例1F制备的光催化结构的原子力显微镜照片。图14为本专利技术实施例1G、1B和对比例1-3分别制备的光催化结构的在可见光区的透射谱图。图15为本专利技术实施例1A-1F分别制备的光催化结构在可见光区的透射谱图。图16为MB在光催化结构的作用下的光吸收谱图，其中(a)对应本专利技术实施例1B制备的光催化结构，(b)对应本专利技术实施例1D制备的光催化结构，(c)对应本专利技术实施例1F制备的光催化结构。图17为MB在光催化结构的作用下，用633纳米的激光照射MB所测得的拉曼光谱图。图18为本专利技术第二实施例提供的光催化结构的结构示意图。图19为本专利技术第二实施例提供的光催化结构的制备方法流程图。图20为本专利技术第三实施例提供的光催化结构的结构示意图。图21为本专利技术第三实施例提供的光催化结构沿XXI-XXI方向的剖视图。图22为本专利技术第三实施例提供的光催化结构的制备方法流程图。图23为4层交叉的碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。图24为本专利技术实施例3D制备的光催化结构的扫描电镜照片。图25为本专利技术实施例3A-3D以及对比例4-7制备的光催化结构在紫外-可见光区的吸收谱图。主要元件符号说明光催化结构10，10B，10C基板12基底120表面121图案化的凸起122孔洞124第一凸条126第二凸条128光催化活性层13金属层14金属预制层15碳纳米管复合结构110碳纳米管结构112保护层114微孔116具体实施方式下面将结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。请参阅图1至图2，本专利技术第一实施例提供一种光催化结构10，所述光催化结构10包括一基板12、一光催化活性层13、以及一金属层14。所述基板12、所述光催化活性层13和所述金属层14依次层叠设置。所述基板12包括一基底120以及多个设置于该基底120上的图案化的凸起122。所述图案化的凸起122包括多个凸条交叉设置形成网状结构，从而定义多个孔洞124。所述多个凸条的交叉处为一体结构。所述光催化活性层13设置在图案化的凸起122的表面。所述金属层14包括多个纳米颗粒，所述纳米颗粒设置在光催化活性层13远离所述基板12的表面。所述基板12可以为柔性基板或硬质基板。所述硬质基板可以为绝缘基板、半导体基板或金属基板。具体地，所述硬质基板的材料可以为硅、二氧化硅、氮化硅、石英、玻璃、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、氧化铝、氧化镁、铁、铜、钛、铬、铝或锌等。当所述基板12为的材料为金属时，所述光催化结构10为光电催化结构，该光电催化结构可用作工作电极，再结合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光催化结构，其包括一基板、一光催化活性层以及一金属层；所述基板、所述光催化活性层和所述金属层依次层叠设置；其特征在于，所述基板包括一基底以及多个设置于该基底表面的图案化的凸起，所述图案化的凸起包括多个凸条交叉设置形成网状结构，从而定义多个孔洞；所述光催化活性层设置于所述图案化凸起的表面；所述金属层包括多个金属纳米级颗粒，所述纳米颗粒分散于于所述光催化活性层远离所述基板的表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种光催化结构，其包括一基板、一光催化活性层以及一金属层；所述基板、所述光催化活性层和所述金属层依次层叠设置；其特征在于，所述基板包括一基底以及多个设置于该基底表面的图案化的凸起，所述图案化的凸起包括多个凸条交叉设置形成网状结构，从而定义多个孔洞；所述光催化活性层设置于所述图案化凸起的表面；所述金属层包括多个金属纳米级颗粒，所述纳米颗粒分散于于所述光催化活性层远离所述基板的表面。


2.如权利要求1所述的光催化结构，其特征在于，所述基板的材料为硅、二氧化硅、氮化硅、石英、玻璃、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、氧化铝、氧化镁、铁、铜、钛、铝、锌、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷以及聚萘二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。


3.如权利要求1所述的光催化结构，其特征在于，所述多个凸条包括多个沿着第一方向延伸的第一凸条和沿着第二方向延伸的第二凸条，且所述第一方向和第二方向的夹角大于等于30度小于等于90度。


4.如权利要求2所述的光催化结构，其特征在于，所述凸条的宽度为20纳米～150纳米，高度为50纳米～2000纳米，且相邻的两个平行凸条之间的间距为50纳米～500纳米。


5.如权利要求3所述的光催化结构，其特征在于，所述凸条的宽度为50纳米～100纳米，高度为300纳米～1000纳米，且相邻的两个平行凸条之间的间距为50纳米～100纳米。


6.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王营城，金元浩，肖小阳，张天夫，李群庆，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11