异质结构光电催化剂及其制造方法与流程

本发明涉及一种异质结构光电催化剂及其制造方法，并且关于基于过渡金属硫化物或其他类似的过渡金属化合物且具有表面等离子体共振效应(surface plasmonresonance)以及p-n接面的异质结构光电催化剂及其制造方法。

背景技术：

1、随着能源危机、环境破坏、大气污染及全球变暖问题日趋严重，可再生利用的清洁能源受到越来越多的关注。由于氢气在化学燃料中拥有最高的能量密度(142mj/kg)，并且在使用后不会对环境产生污染。因此，氢气被认为是最有潜力的能源载体。目前工业产氢的方法是使用石油等碳氢化合物以蒸汽重组方式的裂解法制得，此法不仅须消耗石化燃料，并且会造成温室效应气体和污染物的排放。

2、相较于使用石化燃料作为原料的裂解法，水电解析氢，光催化析氢、电催化析氢等析氢法为干净的产氢方法。至今仍有不少研究致力于提升这些析氢法的效能。在这些析氢方法当中，电催化析氢是效率较高且耗能较低的产氢方法。然而，目前最有效的电催化析氢反应是基于贵金属-铂的催化作用。采用铂的电催化析氢方法受到贵金属储量稀缺、价格昂贵的限制，阻碍其大范围的实际应用。因此，开发催化性能高、成本低的新型催化剂日渐迫切。

3、另有现有技术以tio2此半导体材料为析氢反应的催化剂。采用tio2须考虑其结晶型态区分为板钛矿(brookite)，锐钛矿(anatase，能隙为3.23ev)以及金红石(rutile，能隙为3.02ev)。仅具有锐钛矿、金红石此两种结晶型态的tio2得以进行析氢反应。而以不同结晶型态tio2的比例混合时，会出现不同的析氢效果。并且，在tio2的制程必须考虑氧化数问题，其容易出现氧空缺或自参杂的缺陷，降低析氢效果。

4、此外，现有技术大多使用纳米颗粒型态的催化剂，将其散布于水溶液中，进而达到催化效果。使用纳米颗粒型态的催化剂在电子传递效率相当低。并且，纳米颗粒型态的催化剂并没有固定的形态或结构，性质非常不稳定。此外，使用纳米颗粒型态的催化剂，须考虑水溶液的酸碱值或电解质的浓度问题。

5、光电化学反应产氢的关键在于光电半导体触媒材料的能隙大小与能阶位置，此半导体的能隙至少需大于水的氧化还原电位差1.23ev才得以发生析氢反应。由于过渡金属硫化物若为超薄薄膜，其能隙会由间接能隙转为直接能隙，这时的电位及能隙大小非常适合做于水解析氢反应，此材料被多方关注。但单纯使用过渡金属硫化物的光催化效果并未如预期，原因为：(1)过渡金属硫化物的电子传递效率差，电子-空穴对在水解反应之前已经再结合，能够利用的比例被大量浪费；(2)过渡金属硫化物为二维材料时能够吸收的光非常有限，此低吸收、低电导率导致使用过渡金属硫化物的光催化水解技术迟迟未能普及。此外，过渡金属碲化物及过渡金属硒化物也有发展成高效率催化剂的潜能。

6、综上所述，目前尚未见到基于过渡金属硫化物或其他类似的过渡金属化合物且具有特殊结构的高效率催化剂被成功发展。

技术实现思路

1、因此，本发明所欲解决的一技术问题在于提供一种异质结构光电催化剂及其制造方法及。根据本发明的异质结构光电催化剂基于过渡金属硫化物或其他类似的过渡金属化合物并且具有表面等离子体共振效应以及p-n接面。根据本发明的异质结构光电催化剂具有高催化效率，除了可用于析氢反应之外，还具有广泛的应用，例如，用于光催化降解、空气净化(例如，分解甲醛)、还原co2等。

2、根据本发明的一较佳具体实施例的异质结构光电催化剂包含基材、多根纳米线、多颗金属纳米颗粒以及过渡金属化合物薄膜。基材由半导体材料所形成。基材具有上表面。半导体材料具有第一导电型。多根纳米线由半导体材料所形成，并且形成于基材的上表面上。多颗金属纳米颗粒形成于多根纳米线上。每一根纳米线其上存在多颗金属纳米颗粒中的几颗金属纳米颗粒。过渡金属化合物薄膜形成以被覆多根纳米线以及多颗金属纳米颗粒。过渡金属化合物薄膜可以由过渡金属硫化物、过渡金属碲化物或过渡金属硒化物所形成。过渡金属化合物薄膜具有与第一导电型不同的第二导电型。

3、于一具体实施例中，多颗金属纳米颗粒可以是由银(ag)、金(au)、铝(al)、铜(cu)、锡(sn)、钛(ti)、钡(ba)、铂(pt)、钴(co)，或上述金属的混合物所形成。

4、于一具体实施例中，第一导电型是p型，第二导电型是n型。过渡金属化合物薄膜可以是由mos2、zns、cds、pds、mote2、ws2、ges、gese、hfs3、tis3或bi2te3所形成。

5、于另一具体实施例中，第一导电型是n型，第二导电型是p型。过渡金属化合物薄膜可以是由cus、sns、ag2s或wse2所形成。

6、于一具体实施例中，每一根纳米线的高度范围为0.5μm～15μm。

7、于一具体实施例中，每一个根纳米线的线径宽度范围为10nm～100nm。

8、于一具体实施例中，每一颗金属纳米颗粒的粒径范围为5nm～50nm。

9、根据本发明的一较佳具体实施例的制造异质结构光电催化剂的方法，首先，制备基材。基材由半导体材料所形成，并且具有第一导电型。接着，根据本发明的较佳具体实施例的方法将基材的上表面局部地向下蚀刻成多根纳米线。接着，根据本发明的较佳具体实施例的方法沉积多颗金属纳米颗粒于多根纳米线上。每一根纳米线其上存在多颗金属纳米颗粒中的几颗金属纳米颗粒。最后，根据本发明的较佳具体实施例的方法形成过渡金属化合物薄膜以被覆多根纳米线以及多颗金属纳米颗粒。过渡金属化合物薄膜可以是由过渡金属硫化物、过渡金属碲化物或过渡金属硒化物所形成。过渡金属化合物薄膜具有与第一导电型不同的第二导电型。

10、于一具体实施例中，多根纳米线可以通过金属辅助化学蚀刻制程或反应离子蚀刻制程所制成。

11、与现有技术不同，根据本发明的异质结构光电催化剂利用等离子体子激发电子增强光催化效果，增加反应表面积和光捕捉效果，降低电子空穴再结合比率以增加电子利用效率。由此，根据本发明的异质结构光电催化剂具有高催化效率。

12、关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。

技术特征：

1.一种异质结构光电催化剂，包含：

2.根据权利要求1所述的异质结构光电催化剂，其中所述多颗金属纳米颗粒由选自由银(ag)、金(au)、铝(al)、铜(cu)、锡(sn)、钛(ti)、钡(ba)、铂(pt)、钴(co)以及上述金属的混合物所组成的群组中的其一所形成。

3.根据权利要求2所述的异质结构光电催化剂，其中所述第一导电型是p型，所述第二导电型是n型，所述过渡金属化合物薄膜由选自由mos2、zns、cds、pds、mote2、ws2、ges、gese、hfs3、tis3以及bi2te3所组成的群组中的其一所形成。

4.根据权利要求2所述的异质结构光电催化剂，其中所述第一导电型n型，所述第二导电型是p型，所述过渡金属化合物薄膜由选自由cus、sns、ag2s以及wse2所组成的群组中的其一所形成。

5.根据权利要求2所述的异质结构光电催化剂，其中每一根纳米线的高度范围为0.5μm～15μm，每一个根纳米线的线径宽度范围为10nm～100nm，每一颗金属纳米颗粒的粒径范围为5nm～50nm。

6.一种制造异质结构光电催化剂的方法，包含下列步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多颗金属纳米颗粒由选自由银(ag)、金(au)、铝(al)、铜(cu)、锡(sn)、钛(ti)、钡(ba)、铂(pt)、钴(co)以及上述金属的混合物所组成的群组中的其一所形成。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一导电型是p型，所述第二导电型是n型，所述过渡金属化合物薄膜由选自由mos2、zns、cds、pds、mote2、ws2、ges、gese、hfs3、tis3以及bi2te3所组成的群组中的其一所形成。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一导电型是n型，所述第二导电型是p型，所述过渡金属化合物薄膜由选自由cus、sns、ag2s以及wse2所组成的群组中的其一所形成。

10.根据权利要求7所述的方法，其中每一根纳米线的高度范围为0.5μm～15μm，每一个根纳米线的线径宽度范围为10nm～100nm，每一颗金属纳米颗粒的粒径范围为5nm～50nm。

技术总结一种异质结构光电催化剂及其制造方法。本发明的异质结构光电催化剂包含由基材、多根纳米线、多颗金属纳米颗粒以及过渡金属化合物薄膜。基材由具有第一导电型的半导体材料所形成。多根纳米线由半导体材料所形成且形成于基材的上表面上。每一根纳米线其上存在多颗金属纳米颗粒中的几颗金属纳米颗粒。过渡金属化合物薄膜形成以被覆多根纳米线以及多颗金属纳米颗粒。过渡金属化合物薄膜可以由过渡金属硫化物、过渡金属碲化物或过渡金属硒化物所形成。过渡金属化合物薄膜具有与第一导电型不同的第二导电型。技术研发人员：严大任,陈君彦,毛敬涵受保护的技术使用者：严大任技术研发日：技术公布日：2024/9/17