自供电场增强催化效率的光催化器件和光催化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光催化器件，特别涉及将摩擦发电应用在光催化器件提供电场增强催化效率的光催化器件和光催化方法。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的高速发展，大量工业三废未经处理或处理不达标直接向环境排放，对环境造成巨大破坏，各种环境问题在全球凸显出来，如日本的水俣病，洛杉矶的“光化学烟雾”，各地频繁出现的酸雨等。因此，为了实现人类的可持续发展，开发清洁的可再生能源以及环境污染的控制与治理已迫在眉睫。
[0003]光催化材料具有光分解水制氢和光降解有机污染物两大功能，利用光催化材料既可将低密度的太阳能转化为可储存的高密度的氢能，也可以利用太阳能降解和矿化环境中的污染物，因此它在解决能源和环境问题方面有着重要的应用前景。
[0004]对于光催化原理，目前人们普遍采用半导体能带理论来解释:当入射光能量等于或高于半导体材料的禁带宽度时，半导体材料的价带电子受激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空穴，形成电子空穴对；光生电子、空穴在内部电场作用下分离并迁移到材料表面，进而在表面处发生氧化-还原反应。然而目前光催化材料主要存在的问题是由于光生电子与空穴反应活性很高，因此大量的光生电子和空穴在未迁移到材料表面进行反应之前就在材料内部发生了再复合的现象，较高的电子空穴再复合率直接导致了光催化材料活性的下降。
[0005]为此，科学家想出来一系列的方式对材料进行改进，主要方式有四种:首先是复合材料的合成，主要包括金属-半导体和半导体-半导体异质结两种形式，异质结利用内建电场使得载流子传输具有定向性，因而有效地分离电子-空穴，降低光生电子和空穴的复合率。然而这种方式目前的研究效果仍然不能达到实际应用的要求，且生产条件繁杂成本较高；其次是光敏化将具有可见光响应的有机染料以物理或者化学吸附方式与半导体氧化物相互作用，建立电性耦合有效地进行电荷转移，形成有机-半导体复合型光催化材料，敏化剂在光作用下呈激发态并将电子注入到半导体的导带参与光催化反应。但是，光敏化剂受光激发注入半导体导带的电子容易发生复合而且敏化剂易发生氧化和从本体上脱附而导致性能下降。为此，科学家通过光电联用的方式，在光催化的同时引入外部电场，从本质上更好地提高光生电子和空穴的分离率。然而这种方式需要消耗大量的电能，从能量利用的角度来说得不偿失。
【发明内容】
[0006](一)要解决的技术问题
[0007]本发明所要解决的技术问题是现有的光催化材料在光催化过程中产生的光生载流子分离效率低，从而导致光催化反应的效率不能达到我们预期的目标。
[0008]( 二)技术方案
[0009]为解决上述技术问题，本发明提出一种自供电场增强催化效率的光催化器件，包括第一部件和第二部件，其中，
[0010]第一部件包括紧密结合的光催化层和第一导电层，第二部件包括摩擦层，所述摩擦层与所述光催化层的材料具有不同的摩擦电极序；
[0011]第一部件相对于第二部件滑动时，光催化层101与摩擦层103表面互相滑动并且接触面积发生变化；或者，所述第一部件与第二部件接触分离使所述光催化层与摩擦层接触后分离。
[0012]优选的，所述第二部件还包括第二导电层，所述摩擦层固定设置在所述第二导电层上，所述第一导电层与第二导电层电连接或不连接。
[0013]优选的，所述摩擦层和第二导电层为透光材料。
[0014]优选的，所述第一导电层的部分或者全部表面暴露在目标催化物中。
[0015]优选的，所述第二导电层的部分或者全部表面暴露在目标催化物中；
[0016]所述第一部件还包括基底，所述第一导电层设置在所述基底上；所述第一导电层通过所述基底与所述目标催化物隔离开。
[0017]优选的，所述光催化层的材料为具有光催化性质的半导体材料；所述摩擦层材料为绝缘体材料。
[0018]优选的，所述半导体材料为下列材料的一种或者几种:硅、锗；第11和第VI族化合物；以及钛、锰、铬、铁、铜、锌的氧化物；卤化银、8”03和SrTi03 ；
[0019]所述绝缘体为下列材料的一种或者几种:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4。
[0020]优选的，光催化层与摩擦层为相同的图形化结构。
[0021 ] 优选的，所述光催化层与摩擦层均被分成多个中心角相等的扇区，所有扇区的顶点重合，并且，任意两个光催化层材料扇区之间间隔一个镂空扇区，任意两个摩擦层材料扇区之间间隔一个镂空扇区。
[0022]优选的，所述光催化层与摩擦层均被分成2、3、4、5或8个中心角相等的扇区。
[0023]优选的，所述光催化层为薄膜材料，厚度优选在1 μ m?10 μ m之间。
[0024]优选的，所述摩擦层和/或光催化层的表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列。
[0025]优选的，所述摩擦层和光催化层的形状相匹配，使二者在相互滑动时能够达到完全重合。
[0026]优选的，所述光催化层和/或摩擦层为硬质材料或者柔性材料。
[0027]优选的，所述第一导电层为透光材料。
[0028]优选的，所述第一导电层材料通过沉积的方式在所述光催化层的表面成膜；
[0029]或者，所述光催化层通过在所述第一导电层材料上生长获得。
[0030]相应的，本发明还提供一种自供电场增强催化效率的光催化方法，采用上述任一项所述的光催化器件，包括下列步骤:
[0031]将所述光催化器件置于目标催化物中；
[0032]光线照射在第一部件的光催化层；第一部件的光催化层与第二部件的摩擦层互相滑动摩擦使接触面积发生变化，或者互相接触分离，为所述光催化层提供电场。
[0033](三)有益效果
[0034]本发明提供的自供电场增强催化效率的光催化器件，具有下列优点:
[0035]1、通过两个部件的相互滑动或者接触分离，使具有不同摩擦电性质的光催化层和摩擦层之间的摩擦为光催化层提供电场，无需外界为光催化器件提供外接电源，解决了现有技术中需要引入外部电场的缺点。
[0036]2、两个部件的相互滑动或者接触分离可以通过利用广泛存在的机械能来实现，例如风能、水能等驱动两个部件相互滑动摩擦，在光催化层两侧产生电场，可以大大提高光催化层材料受光产生的光生载流子的分离效率，从而提高光催化性质。
[0037]3、本发明提供的光催化器件，器件各部分的材料均为易于获得的材料，并且成本低廉。器件制备采用现有工艺，制备过程简单，器件的工作寿命长。
【附图说明】
[0038]图1为本发明第一实施例的光催化器件结构示意图；
[0039]图2为本发明第一实施例的光催化器件工作原理示意图；
[0040]图3为第一部件的光催化层为图形化结构的示意图；
[0041]图4为本发明第一实施例的光催化器件在不同工作条件下的光催化测试结果；
[0042]图5为本发明第二实施例的光催化器件结构示意图；
[0043]图6为本发明第一实施例的光催化器件工作原理示意图；
[0044]图7为本发明第一实施例的光催化器件在不同工作条件下的光催化测试结果。
【具体实施方式】
[0045]现有的光催化材料在光催化过程中产生的光生载流子分离效率低，从而导致光催化反应的效率低，在光催化过程中引入电场，可以有效提高光生电子和空穴的分离率。在现有的能量转化技术中，摩擦发电机是一种新型的简易的将环境机械能转化成电能的技术。基于此的器件能够通过利用自然界中的机械能来产生电场，可望给光催化系统提供电源，增强光催化。
[0046]现有的摩擦发电机，利用不同摩擦电性质的材料互相接触或者互相摩擦，对外输出电信号。所述的摩擦电性质是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质