[發明專利]鉍金屬負載氮化鎢光催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010157170.6
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111330617B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 閔宇霖;何昊;魏濼驥;時鵬輝;范金辰;徐群杰;朱晟
• 申請（專利權）人: 上海電力大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J35/02;B01J37/10;C01B3/04
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 許耀

本發明涉及一種鉍金屬負載氮化鎢光催化劑及其制備方法和應用，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前驅體；(3)將氮化鎢納米片和花狀BiO前驅體溶于水中，進行水熱反應，離心并收集粉末，在氨氣中煅燒，得到鉍金屬負載氮化鎢光催化劑。與現有技術相比，本發明的光催化劑具有寬的光吸收范圍，高分解水產氫性能，低電阻率，快速轉移載流子的能力，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穩定性等特點，且制備方法具有操作簡單，成本低廉，環保。

技術領域

本發明涉及一種光催化材料，尤其是涉及一種鉍金屬負載氮化鎢光催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

清潔與可再生能源被認為是解決能源危機的關鍵因素，其中光催化以及光熱效應依靠其通過太陽能光轉換的方式成為減輕環境保護壓力的解決方案之一。因此，通過利用太陽能可持續地分解水產生氫氣的方式引起了人們對將太陽能轉化為化學能的廣泛關注。目前，制約太陽能與氫氣能量轉換的轉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的光以及光生電子-空穴對的高效分離和快速轉移。其中光的吸收率主要表現為催化劑能吸收的太陽光光譜范圍，而載流子的分離率意味著在電子-空穴對分離和轉移的同時抑制其重組。眾所周知，紫外光因為具有高光子能量，可用于大多數光催化技術，但其能量不超過太陽光能量的5％，如果可以很好的利用約占太陽光能量90％的可見光和近紅外光將會有效的緩解環境與能源危機。

一直以來，光催化在擴大光催化劑可利用太陽光譜的范圍以及提高光催化效率的問題解決仍不夠充分。而擴大光吸收有兩種主要方法，即元素摻雜或者與其他半導體復合。其中大部分金屬元素因為是一種導體，載流子密度相對半導體高出幾個數量級，具有較小的能隙的優點，因此空穴-電子對較易分離，在光催化劑中具有廣闊的應用前景。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種鉍金屬負載氮化鎢光催化劑及其制備方法和應用。

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，關于高載流子密度的過渡金屬光催化劑的研究尚未取得理想成果，因為金屬材料中載流子密度越高，帶隙越小甚至沒有帶隙，所以光生電子空穴復合速率更快。

申請人發現通過水熱后，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，主要是因為：(1)Bi產生的表面等離子體共振(SPR)促進了光的利用，(2)Bi負載WN有效抑制了光生電子-空穴的復合；(3)Bi的加入為產氫提供了更多的活性位點；(4)超薄納米片結構提供了更大的比表面積，從而暴露出更多的表面活性位點。

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，關于高載流子密度的過渡金屬光催化劑的研究尚未取得理想成果，因為金屬材料中載流子密度越高，帶隙越小甚至沒有帶隙，所以光生電子空穴復合速率更快。

所以，而通過水熱后，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，主要是因為:(1)Bi產生的表面等離子體共振(SPR)促進了光的利用，(2)Bi負載WN有效抑制了光生電子-空穴的復合(3)Bi的加入為產氫提供了更多的活性位點；(4)超薄納米片結構提供了更大的比表面積，從而暴露出更多的表面活性位點。