【編號】2021-06

【題名】利用局域光效應增強全光譜光催化的ZnO/PVDF反蛋白石結構薄膜

【作者】陳雨凱，汪雨，方姣姣等

【機構】南京工業大學材料科學與工程學院；南京工業大學江蘇省先進無機功能復合材料協同創新中心；東南大學生物科學與醫學工程學院，生物電子國家重點實驗室

【刊名】催化學報（2021年01期）

【文摘】隨著環境污染與能源危機的問題日益嚴重，利用清潔能源太陽能的光催化技術得到了研究者的廣泛關注。然而，半導體光催化劑的帶隙嚴重限制了其利用整個太陽光譜的能力。盡管通過能帶工程、上轉換等技術，已經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，可提高光催化反應的溫度，促進光生載流子的分離，進而提升光催化的效果。光子晶體是一種周期性結構，通過調節其折射率以及孔徑大小，可以對不同波段的光實現增強吸收或反射的效果。人們已制備了二氧化鈦的反蛋白石結構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構光子晶體增強近紅外光的吸收，進而實現全光譜利用的光熱協同催化目前還未有報道。本文以二氧化硅單分散微球為模板，制備了以苯胺黑-聚偏氟乙烯為基底、氧化鋅為光催化劑的反蛋白石結構光子晶體薄膜，采用掃描電鏡、XRD和XPS等技術表征了薄膜的結構，并通過透射光譜與鏡面反射光譜驗證了苯胺黑的加入可增強全光譜的利用率。結果發現，當苯胺黑摻量為0.5%時，微反應器中的薄膜溫度在60min內上升了13.6℃，而空氣中的薄膜溫度在2min內升了24.5℃，表明苯胺黑在近紅外光生熱中起著重要作用。對比普通薄膜，Z0.5A-369在微反應器與空氣中的溫度分別提升了14.7和26.8℃，證實了光子晶體對于光譜吸收的增強效應。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，而微反應器也比普通反應器提升了5.85倍。可見，薄膜和反應器的設計實現了協同催化。光熱協同光催化發現，利用近紅外光的光熱效應來提高光催化反應過程中的溫度可有效促進光催化反應，是一種高效利用太陽光譜的方法。光子晶體因其多孔結構、高比表面積、限光效應和慢光效應而增強了對光的吸收，進一步提高了光催化效率。另外，微反應器通過其局域的熱效應和縮短的傳質路徑有效地增加了反應速率。