[發(fā)明專(zhuān)利]一種I摻雜的鉍基鹵氧化物光催化劑及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210057486.7
• 申請(qǐng)日: 2022-01-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114073971B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董貝貝;宋向瑤;王瑞虎;趙聰慧;徐洋
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B01J27/06
• 分類(lèi)號(hào): B01J27/06;B01J27/13;B01J37/00;B01J37/08;C01B3/04
• 代理公司: 天津知川知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 12249
• 代理人: 胡翠

本發(fā)明屬于光催化材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種I摻雜的鉍基鹵氧化物光催化劑及其制備方法與應(yīng)用，所述鉍基鹵氧化物的化學(xué)組成為Bi₂MO₄Cl，其中M=Gd，Sm；[Bi₂MO₄]⁺和[Cl]^?層交替堆疊，具有類(lèi)鈣鈦礦層狀晶體構(gòu)型。所述光催化劑采用熔鹽法制備，將氧化鉍Bi₂O₃、M₂O₃和碘氧化鉍BiOI混合研磨均勻，加入鹽類(lèi)反應(yīng)介質(zhì)繼續(xù)研磨，然后經(jīng)高溫煅燒、洗滌烘干后得到所述光催化劑。并首次將這類(lèi)材料應(yīng)用于光催化分解水體系，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光下的高產(chǎn)氧活性和全光譜下的產(chǎn)氫活性，并且表現(xiàn)出良好的光化學(xué)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光催化材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種I摻雜的鉍基鹵氧化物光催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

能源和環(huán)境污染問(wèn)題是21世紀(jì)人類(lèi)面臨的兩大挑戰(zhàn)，氫氣是一種具有高燃燒值、高效率特點(diǎn)的清潔能源，因此太陽(yáng)能分解水制氫是解決上述挑戰(zhàn)最有效的方式之一。為了提高太陽(yáng)能制氫效率，關(guān)鍵點(diǎn)是開(kāi)發(fā)高效光催化劑。

現(xiàn)有的可見(jiàn)光響應(yīng)的光催化材料大致包括以下幾類(lèi)：氮（氧）化物、鹵（氧）化物、硫（氧）化物和少量氧化物。其中，氧化物因其制備工藝簡(jiǎn)單、空氣氣氛下穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，一直是科學(xué)家們的研究重點(diǎn)。然而大多數(shù)氧化物只能吸收太陽(yáng)光譜中很小一部分的紫外光（小于5%），大大限制了太陽(yáng)能的利用效率。只有少數(shù)材料可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光下的光催化反應(yīng)，釩酸鉍（BiVO₄）是過(guò)去二十年以來(lái)發(fā)展的一種穩(wěn)定、廉價(jià)的窄帶隙產(chǎn)氧光催化劑，通過(guò)控制形貌縮短超薄BiVO₄納米片的電荷遷移距離，可顯著提高其光催化產(chǎn)氧活性。WO₃是一種高效的可見(jiàn)光響應(yīng)產(chǎn)氧光催化劑，這得益于其較正的價(jià)帶能級(jí)位置。然而，上述材料只能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光下的產(chǎn)氧反應(yīng)，不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫反應(yīng)。而鹵氧化物作為一種混合陰離子化合物既可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫，也可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氧反應(yīng)。鹵素陰離子具有較低的電負(fù)性，其p軌道能量高于O 2p軌道，從而導(dǎo)致這類(lèi)材料的帶隙減小。目前，BiOX（X=Cl、Br和I）等鉍基光催化劑被認(rèn)為是一類(lèi)極具潛力的可見(jiàn)光響應(yīng)光催化劑。BiOX具有帶相反電荷的交替層，導(dǎo)致層間產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)，促進(jìn)了光激發(fā)產(chǎn)生的電荷的分離。然而，大多數(shù)BiOX等鹵氧化物光催化劑中的鹵素陰離子（X np軌道）在光照下容易被價(jià)帶頂（VBM）附近的光生空穴氧化，進(jìn)而發(fā)生光腐蝕，因此，發(fā)展能夠在光照下維持穩(wěn)定、同時(shí)滿足產(chǎn)氫和產(chǎn)氧反應(yīng)的光催化劑至關(guān)重要。Bi₂MO₄X（M=大多數(shù)鑭系元素；X=Cl，Br和I）型鹵氧化物與BiOX相比，在VBM附近具有不同的能帶結(jié)構(gòu)，其主要作用來(lái)自O(shè) 2p軌道而非X np軌道，這一特性使這類(lèi)材料在維持可見(jiàn)光吸收的同時(shí)具有更高的光穩(wěn)定性。

據(jù)此，我們報(bào)道了I摻雜的可見(jiàn)光響應(yīng)的鉍基鹵氧化物新材料，不僅具有較高的可見(jiàn)光響應(yīng)產(chǎn)氧活性，還可實(shí)現(xiàn)全光譜下的產(chǎn)氫反應(yīng)，因此，有望實(shí)現(xiàn)單一粒子的光催化全分解水反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明采用熔鹽法合成了一種I摻雜的類(lèi)鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)的鉍基鹵氧化物光催化劑及其制備方法與應(yīng)用，旨在構(gòu)筑可見(jiàn)光下高效的光催化分解水體系。

為此，本發(fā)明提供了一種I摻雜的鉍基鹵氧化物光催化劑，所述I摻雜的鉍基鹵氧化物光催化劑中，鉍基鹵氧化物的化學(xué)組成為Bi₂MO₄Cl，其中M=Gd，Sm；Bi:M:I原子的摩爾比為2:1:0.2~2；這類(lèi)材料具有類(lèi)鈣鈦礦層狀晶體構(gòu)型，所述Bi₂MO₄Cl的空間群為P4/mmm，[Bi₂MO₄]⁺和[Cl]^?層交替堆疊，其中M離子與立方體頂點(diǎn)的八個(gè)氧原子配位。