[發明專利]一種控制溴氧化鉍光催化劑取向生長的制備方法

有效

• 申請號: 201410445492.5
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104258877B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 段芳;汪曉鳳;王軍;施冬健;魏取福;陳明清
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: B01J27/08
• 分類號: B01J27/08;C01G29/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司23211
• 代理人: 耿曉岳

技術領域

本發明屬于光催化領域，涉及采用水熱法制備溴氧化鉍光催化材料，通過控制原料的加入量，可實現對溴氧化鉍生長取向的調控，制備的不同取向生長的溴氧化鉍光催化劑具有不同的可見光催化性能。

背景技術

環境污染的治理是當今人類面臨和亟需解決的焦點問題，特別是有毒、難降解有機污染物(如鹵代物、農藥、染料等)引起的環境問題已成為影響人類生存與健康的重大問題。光催化技術對有機污染物的凈化具有能耗低、凈化條件溫和、無二次污染等優點而倍受重視，是一種具有廣闊應用前景的綠色環境治理技術。光催化技術的關鍵在于光催化劑，以TiO₂為代表的傳統光催化材料帶隙較寬，只能被紫外光激發，而且光生電子-空穴對容易復合，導致光催化效率較低。為了進一步使光催化技術走向實用化，充分發揮其在環境污染治理方面的優勢，發展高效、高穩定性光催化材料體系是必然趨勢。鉍系光催化材料因具有特殊的層狀結構和適當大小的禁帶寬度而引起廣泛的興趣。目前已報道的鉍系光催化劑主要包括氧化鉍，鹵氧化鉍，鉍的含氧酸鹽以及復合型鉍催化劑等。其中最有代表性的是鹵氧化鉍系列化合物，它們因價格便宜、光催化活性高、穩定性好等優勢，具有潛在的實用價值，越來越受到人們的關注。

BiOX(X＝Cl，Br，I)的晶體結構為PbFCl型，對稱性：D4h，空間群：P4/nmm，屬于四方晶系。Bi³⁺周圍的O^2-和X^-成反四方柱配位，Cl^-層為正方配位，其下一層為正方O^2-層，Cl^-層和O^2-層交錯45°，中間夾心Bi³⁺層。BiOX的晶體結構也可以看作沿c軸方向，雙X^-離子層和Bi₂O₂層交替排列構成的層狀結構，雙層排列的X(X＝Cl，Br，I)原子層之間由X(X＝Cl，Br，I)原子通過非鍵力結合，結合力較小，結構疏松，因此這種層狀結構非常容易沿(001)方向解離。

鹵氧化鉍是一種具有高度各向異性的層狀結構半導體。采用DFT(density?functional?theory)法和TB-LMTO(tight?binding?linear?muffin-tin?orbital)法分別對鹵氧化鉍的電子結構和能帶進行計算，得出結論：鹵氧化鉍系列中只有BiOF為直接帶隙半導體，BiOCl、BiOBr和BiOI為間接躍遷帶隙半導體。價帶主要為O2p和Xnp(對于F，Cl，Br和I，n分別為2，3，4和5)占據，導帶主要是Bi6p軌道的貢獻。當光子把Xnp上的電子激發到Bi6p軌道上時，產生一個光生空穴-電子對；同時層狀結構的BiOX(X＝Cl，Br，I)具有足夠的空間來極化相應的原子和原子軌道，這一誘導偶極矩能夠有效地分離空穴與電子，從而提高光催化性能；又由于BiOX(X＝Cl，Br，I)屬間接躍遷帶隙，因此激發電子必須穿過某些k層才能到達價帶，這就降低了激發電子和空穴再復合的幾率。開放式結構和間接躍遷模式的同時存在有利于空穴-電子對的有效分離和電荷轉移，這些特征是BiOX(X＝Cl，Br，I)具有較高光催化活性的原因。

二維納米結構具有較大的比表面積，表面原子暴露較多，利于光生電子-空穴的產生和分離。具有不同取向生長的二維納米結構，表面具有的原子密度和種類的不同，導致其性能存在差異。因此，構筑具有取向生長的二維納米結構溴氧化鉍光催化劑是提高其光催化性能的有效手段。基于二維納米結構在光催化方面的顯著優勢，以有毒、有機污染物為降解對象，對其光催化性能進行評價，揭示不同取向生長的溴氧化鉍二維結構光催化材料高效光催化反應機制。本發明拓展了溴氧化鉍二維納米結構的制備方法，開發低成本、高效率的溴氧化鉍二維結構光催化材料及其相應的合成技術。

發明內容

本發明的目的在于提供一種控制溴氧化鉍光催化劑取向生長的制備方法，該方法工藝簡單、成本低廉，合成的不同取向生長的溴氧化鉍光催化劑光催化降解性能不同。

一種控制溴氧化鉍光催化劑取向生長的制備方法，其特征在于：以鉍鹽、溴化物、冰醋酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為原料，控制冰醋酸和PVP的加入量，通過簡單水熱法得到具有不同生長取向的溴氧化鉍光催化劑，制備的不同取向生長的溴氧化鉍光催化劑具有不同的可見光催化活性。具體制備過程為：