[發(fā)明專利]鉍金屬負(fù)載氮化鎢光催化劑及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010157170.6
• 申請(qǐng)日: 2020-03-09
• 公開（公告）號(hào): CN111330617B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閔宇霖;何昊;魏濼驥;時(shí)鵬輝;范金辰;徐群杰;朱晟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海電力大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01J35/00;B01J35/02;B01J37/10;C01B3/04
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 許耀

本發(fā)明涉及一種鉍金屬負(fù)載氮化鎢光催化劑及其制備方法和應(yīng)用，制備方法包括以下步驟：(1)將吡啶水溶液加入磷鎢酸水溶液，加熱攪拌后離心并干燥，然后在氨氣中煅燒得到氮化鎢納米片；(2)在NaOH溶液中加入硝酸鉍，水熱，離心干燥收集粉末，在空氣中煅燒得到花狀BiO前驅(qū)體；(3)將氮化鎢納米片和花狀BiO前驅(qū)體溶于水中，進(jìn)行水熱反應(yīng)，離心并收集粉末，在氨氣中煅燒，得到鉍金屬負(fù)載氮化鎢光催化劑。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的光催化劑具有寬的光吸收范圍，高分解水產(chǎn)氫性能，低電阻率，快速轉(zhuǎn)移載流子的能力，高光生載流子分離能力，低載流子重組率，以及良好的析氫循環(huán)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，且制備方法具有操作簡(jiǎn)單，成本低廉，環(huán)保。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光催化材料，尤其是涉及一種鉍金屬負(fù)載氮化鎢光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

清潔與可再生能源被認(rèn)為是解決能源危機(jī)的關(guān)鍵因素，其中光催化以及光熱效應(yīng)依靠其通過(guò)太陽(yáng)能光轉(zhuǎn)換的方式成為減輕環(huán)境保護(hù)壓力的解決方案之一。因此，通過(guò)利用太陽(yáng)能可持續(xù)地分解水產(chǎn)生氫氣的方式引起了人們對(duì)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的廣泛關(guān)注。目前，制約太陽(yáng)能與氫氣能量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換效率的主要因素是缺乏合適的光催化劑滿足可以吸收寬波長(zhǎng)的光以及光生電子-空穴對(duì)的高效分離和快速轉(zhuǎn)移。其中光的吸收率主要表現(xiàn)為催化劑能吸收的太陽(yáng)光光譜范圍，而載流子的分離率意味著在電子-空穴對(duì)分離和轉(zhuǎn)移的同時(shí)抑制其重組。眾所周知，紫外光因?yàn)榫哂懈吖庾幽芰浚捎糜诖蠖鄶?shù)光催化技術(shù)，但其能量不超過(guò)太陽(yáng)光能量的5％，如果可以很好的利用約占太陽(yáng)光能量90％的可見(jiàn)光和近紅外光將會(huì)有效的緩解環(huán)境與能源危機(jī)。

一直以來(lái)，光催化在擴(kuò)大光催化劑可利用太陽(yáng)光譜的范圍以及提高光催化效率的問(wèn)題解決仍不夠充分。而擴(kuò)大光吸收有兩種主要方法，即元素?fù)诫s或者與其他半導(dǎo)體復(fù)合。其中大部分金屬元素因?yàn)槭且环N導(dǎo)體，載流子密度相對(duì)半導(dǎo)體高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，具有較小的能隙的優(yōu)點(diǎn)，因此空穴-電子對(duì)較易分離，在光催化劑中具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種鉍金屬負(fù)載氮化鎢光催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

鎢基氮化物突出的催化活性可歸因于氮原子的引入，并且，金屬鎢未占滿d帶的特性使其與貴金屬類似，氮化物表面也具有給電子能力。然而，關(guān)于高載流子密度的過(guò)渡金屬光催化劑的研究尚未取得理想成果，因?yàn)榻饘俨牧现休d流子密度越高，帶隙越小甚至沒(méi)有帶隙，所以光生電子空穴復(fù)合速率更快。

申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)通過(guò)水熱后，在氨氣氣氛下將片狀WN(氮化鎢納米片)與花狀BiO(花狀BiO前驅(qū)體)還原從而形成片狀Bi-WN光催化納米片，這種片狀WN與金屬Bi的復(fù)合有效地提高了光催化析氫性能。Bi的引入大大提高了Bi-WN的光催化效率，主要是因?yàn)椋?1)Bi產(chǎn)生的表面等離子體共振(SPR)促進(jìn)了光的利用，(2)Bi負(fù)載WN有效抑制了光生電子-空穴的復(fù)合；(3)Bi的加入為產(chǎn)氫提供了更多的活性位點(diǎn)；(4)超薄納米片結(jié)構(gòu)提供了更大的比表面積，從而暴露出更多的表面活性位點(diǎn)。

鎢基氮化物突出的催化活性可歸因于氮原子的引入，并且，金屬鎢未占滿d帶的特性使其與貴金屬類似，氮化物表面也具有給電子能力。然而，關(guān)于高載流子密度的過(guò)渡金屬光催化劑的研究尚未取得理想成果，因?yàn)榻饘俨牧现休d流子密度越高，帶隙越小甚至沒(méi)有帶隙，所以光生電子空穴復(fù)合速率更快。

所以，而通過(guò)水熱后，在氨氣氣氛下將片狀WN與花狀BiO還原從而形成片狀Bi-WN光催化納米片，這種片狀WN與金屬Bi的復(fù)合有效地提高了光催化析氫性能。Bi的引入大大提高了Bi-WN的光催化效率，主要是因?yàn)?(1)Bi產(chǎn)生的表面等離子體共振(SPR)促進(jìn)了光的利用，(2)Bi負(fù)載WN有效抑制了光生電子-空穴的復(fù)合(3)Bi的加入為產(chǎn)氫提供了更多的活性位點(diǎn)；(4)超薄納米片結(jié)構(gòu)提供了更大的比表面積，從而暴露出更多的表面活性位點(diǎn)。