【編號(hào)】2021-06

【題名】利用局域光效應(yīng)增強(qiáng)全光譜光催化的ZnO/PVDF反蛋白石結(jié)構(gòu)薄膜

【作者】陳雨凱，汪雨，方姣姣等

【機(jī)構(gòu)】南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；南京工業(yè)大學(xué)江蘇省先進(jìn)無機(jī)功能復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心；東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，生物電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

【刊名】催化學(xué)報(bào)（2021年01期）

【文摘】隨著環(huán)境污染與能源危機(jī)的問題日益嚴(yán)重，利用清潔能源太陽能的光催化技術(shù)得到了研究者的廣泛關(guān)注。然而，半導(dǎo)體光催化劑的帶隙嚴(yán)重限制了其利用整個(gè)太陽光譜的能力。盡管通過能帶工程、上轉(zhuǎn)換等技術(shù)，已經(jīng)有部分可見光可以被利用，但其本身的效率卻并不高。太陽光譜中的近紅外光有著顯著的光熱效應(yīng)，可提高光催化反應(yīng)的溫度，促進(jìn)光生載流子的分離，進(jìn)而提升光催化的效果。光子晶體是一種周期性結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)其折射率以及孔徑大小，可以對(duì)不同波段的光實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)吸收或反射的效果。人們已制備了二氧化鈦的反蛋白石結(jié)構(gòu)用于光催化降解污染物，其光催化效率明顯提高。但是，通過利用反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體增強(qiáng)近紅外光的吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全光譜利用的光熱協(xié)同催化目前還未有報(bào)道。本文以二氧化硅單分散微球?yàn)槟０澹苽淞艘员桨泛?/span>-聚偏氟乙烯為基底、氧化鋅為光催化劑的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體薄膜，采用掃描電鏡、XRD和XPS等技術(shù)表征了薄膜的結(jié)構(gòu)，并通過透射光譜與鏡面反射光譜驗(yàn)證了苯胺黑的加入可增強(qiáng)全光譜的利用率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)苯胺黑摻量為0.5%時(shí)，微反應(yīng)器中的薄膜溫度在60min內(nèi)上升了13.6℃，而空氣中的薄膜溫度在2min內(nèi)升了24.5℃，表明苯胺黑在近紅外光生熱中起著重要作用。對(duì)比普通薄膜，Z0.5A-369在微反應(yīng)器與空氣中的溫度分別提升了14.7和26.8℃，證實(shí)了光子晶體對(duì)于光譜吸收的增強(qiáng)效應(yīng)。就光催化性能來看，Z0.5A-369比普通薄膜的效率提高了1.63倍，而微反應(yīng)器也比普通反應(yīng)器提升了5.85倍?？梢姡∧ず头磻?yīng)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了協(xié)同催化。光熱協(xié)同光催化發(fā)現(xiàn)，利用近紅外光的光熱效應(yīng)來提高光催化反應(yīng)過程中的溫度可有效促進(jìn)光催化反應(yīng)，是一種高效利用太陽光譜的方法。光子晶體因其多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積、限光效應(yīng)和慢光效應(yīng)而增強(qiáng)了對(duì)光的吸收，進(jìn)一步提高了光催化效率。另外，微反應(yīng)器通過其局域的熱效應(yīng)和縮短的傳質(zhì)路徑有效地增加了反應(yīng)速率。