[發明專利]鉬酸鉍/碳化鈦異質結二維光催化材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910904885.0
• 申請日: 2019-09-24
• 公開（公告）號: CN110586149B
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 李必勝;賴萃;秦蕾;曾光明;劉希貴;李玲;符玉葵;何江凡;許輔杭;王志紅;史曉勛
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B01J27/22
• 分類號: B01J27/22;B01J23/31;C02F1/30;C02F101/38;C02F101/34
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 何文紅

本發明公開了一種鉬酸鉍/碳化鈦異質結二維光催化材料及其制備方法和應用，該二維光催化材料包括碳化鈦納米片及負載在其上的層狀鉬酸鉍。制備方法包括以下步驟：制備塊狀碳化鈦；利用二甲亞砜制備碳化鈦納米片；通過水熱反應制備上述二維光催化材料。本發明二維光催化材料具有價廉易得、光生電子和空穴復合效率低、催化性能強、氧化還原活性好、對環境的危害較少等優點，是一種綠色、經濟的光催化材料，能夠廣泛用于處理環境中的污染物，有著較高的使用價值和較好的應用前景。本發明制備方法具有工藝簡單、操作方便、原料成本低、耗能少、耗時短、反應條件溫和且易于控制、綠色環保等優點，在功能性納米材料的合成方面展現了良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于功能納米材料技術領域，涉及一種鉬酸鉍/碳化鈦異質結二維光催化材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著工業化的快速發展，社會對于化石燃料的需求越來越大，但化石燃料的燃燒會產生大量的污染物，這些污染物對人體的健康產生極大的威脅。目前，已經有很多的方法(例如芬頓法、生物法、吸附法和電催化法等)已經被開發來降解這些污染物，并且也取得了不錯的成效。但是這些方法存在一定的缺陷，首先對于污染物的礦化效率低，很多污染物降解后產生中間產物，這些中間產物仍具有很強的毒性；其次，有些方法需要外源能量的輸入，增加了運行的成本。因此，開發一種綠色、環保、可持續的技術是當今社會所急切需要的。

半導體光催化技術是近些年來研究較多的技術，該技術是一種以太陽能作為驅動力來去除污染物和產生新能源的技術。半導體光催化技術是利用半導體材料在光照激發下產生光生電子和空穴，電子具有較強的還原能力，可以與水中的溶解氧反應生成超氧自由基和羥基自由基；光生空穴具有強氧化性，可以與水反應產生羥基自由基，這些產生的活性自由基以及光生空穴本身都具有氧化能力，能夠攻擊污染，從而徹底將污染物去除，但是這種新型的半導體光催化技術也存在著一定的短處，如現有采用的光催化劑中光生電子和空穴的復合比較快，這極大的限制了半導體光催化技術的實際應用。因此開發具有一種光生電子和空穴快速分離轉移的光催化劑是成為了最大的挑戰。

目前，開發的光催化劑中，鉍系半導體由于其優越物理屬性、化學屬性、光學屬性以及機械屬性受到廣大科研工作的關注，其中鉬酸鉍作為一種類鈣鈦礦結構的鉍系半導體，因為獨特的層狀結構而被廣泛研究，但是鉬酸鉍的光生電子和空穴的復合速率較大，因此在很大程度上限制了其催化性能。之前的報道有提到，將塊狀鉬酸鉍的層數減少到單層或者少層時，所形成的二維層狀鉬酸鉍的光生電子和空穴的復合效率大大減少，這是因為當鉬酸鉍的層數減少到一定厚度時，光照條件下產生的電子和空穴遷移到鉬酸鉍表面的距離大大減少，從而減少了復合的概率。雖然二維層狀鉬酸鉍的光生電子和空穴的復合得到了一定的抑制，但是遷移到鉬酸鉍表面的光生電子和空穴仍然有復合的幾率，與此同時，該二維層狀鉬酸鉍容易團聚，會減少其比表面積，進而掩蓋大量的活性位點。因此，如何有效抑制催化劑表面的光生電子-空穴復合以增強光催化性能以及如何克服二維層狀鉬酸鉍的團聚現象以提高材料表面的活性位點成為現階段研究中重中之重、亟需解決的技術問題。

碳化鈦是作為一種層狀材料，由于其導電性能強以及載流子的遷移率高，因而碳化鈦有望成為一種性能優異的共催化劑。此外，考慮到鉬酸鉍獨特的二維結構，因而將二維鉬酸鉍和二維碳化鈦復合構建2D/2D鉬酸鉍/碳化鈦異質結，是一種抑制光生電子-空穴復合的有效方法，但是構建這種新型的2D/2D鉬酸鉍/碳化鈦異質結仍然具有一些難點：(1)二維層狀材料的制備方法比較復雜，耗時長；(2)2D/2D鉬酸鉍/碳化鈦異質結的制備方法中所需的條件比較苛刻；(3)2D/2D鉬酸鉍/碳化鈦異質結中兩個組分的質量比對催化性能影響較大。因此，如何獲得一種光生電子和空穴復合效率低、催化性能強、氧化還原活性好、重復利用性好的鉬酸鉍/碳化鈦異質結二維光催化材料以及與之匹配的工藝簡單、操作方便、原料成本低、耗能少、耗時短、反應條件溫和且易于控制、綠色環保的制備鉬酸鉍/碳化鈦異質結二維光催化材料的方法，對于有效提升半導體光催化技術的處理效果和擴大半導體光催化技術的應用范圍具有十分重要的意義。

發明內容