[發明專利]自然光響應的鹵氧化鉍光催化材料的制備方法

在審

• 申請號: 202210447958.X
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114832841A
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 孫少東;楊變;梁淑華;焦愉翔;雷國棟;崔杰;楊曼;郭鈺;楊卿
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: B01J27/06
• 分類號: B01J27/06;C01G29/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 劉娜

本發明公開了自然光響應的鹵氧化鉍光催化材料的制備方法，具體為：構筑具有體相元素摻雜和表面氧空位的BiOX粉末，通過BiOX前驅體與金屬鹵化物進行溶劑熱處理，即可。利用操作簡便易行的金屬鹽輔助?溶劑熱還原法，制備了體相元素摻雜和表面氧空位共生的BiOX光催化材料，實現了BiOX的自然光響應。本發明制備的BiOX光催化材料對羅丹明B、羅丹明6G、孔雀石綠、亞甲基藍和結晶紫等有機污染物降解效果明顯。另外，該制備方法原料來源廣、制作成本低、實驗工序少、操作簡單，對設備、人力和場地要求低，有望實現工業化生產。

技術領域

本發明屬于光催化材料制備技術領域，具體涉及一種自然光響應的鹵氧化鉍光催化材料的制備方法。

背景技術

當前，實現“碳達峰、碳中和”已成為解決環境污染和能源短缺問題，促進人類社會可持續發展的必然選擇。大量研究表明，光催化技術具有成本低、反應溫和且無二次污染等優點，可將水中有機物分解為低毒或者無毒的小分子物質，甚至直接分解為二氧化碳和水，是解決當前水體有機物污染問題的理想途徑，是符合我國綠色可持續發展需求的重要研究課題，在染料廢水、抗生素廢水、工業廢水等環境污染治理方面極具應用前景。然而，目前研制的光催化材料在自然光下的載流子分離效率依然較低，因而光催化活性測試主要是在模擬太陽光的氙燈光源激發下進行的，且需要機械攪拌輔助，這極大的限制了光催化技術的產業化應用。鑒于此，面對上述高性能化與產業化的挑戰，迫切需要開發最簡單經濟的制備方法以創制能夠真正實現自然光響應的高效催化材料。

近年來，國內外科技工作者對光催化材料展開了大量的應用基礎研究，但目前能夠實現自然光響應的光催化材料研究尚少見報道。例如，印度學者Tonda等人發現Fe摻雜g-C₃N₄具有自然光催化降解羅丹明B(RhB)活性，但催化效率低且催化劑的制備過程會釋放大量的氨氣，將造成污染環境，不適于規模化生產和產業化應用。我國學者Jinsheng Shi和Zhiwu Chen等人證實鋅-鉺共摻雜Bi₂WO₆催化劑和 Bi₄Ti₃O₁₂納米片均具有自然光響應活性，但低的催化活性限制了其產業化應用。尤其是，能夠真正實現自然光響應的靜態催化材料的報道則更為少見。

靜態催化是指催化劑自然靜置在液相催化反應環境中，不依賴額外的強光、電場、熱場、機械攪拌、振蕩以及超聲波等物理場輔助即可展示出高效的催化活性，若施加上述物理場還將進一步提升其催化性能。我國學者Yutang Liu等人制備出了具有全天候靜態光催化降解 RhB活性的Ag@AgI修飾Ag₃PO₄納米粉末，進一步證實了研制自然光響應靜態催化材料的可行性，但考慮原材料涉及價格高的Ag且制備工藝復雜，亦不適于規模化生產和產業化應用。因此，迫切需要發展新設計理論和新制備工藝，以創制適于規模化生產和產業化應用的高效自然光響應靜態催化材料。特別是，2021年日本東京大學Domen 教授等人在室外自然光光照條件下，利用鋁摻雜SrTiO₃催化劑成功實現了高效的大規模光解水制氫。面對上述高性能化與產業化的挑戰以及國外的技術壟斷，我國亟需研發具有自主產權且適合于產業化應用的高效自然光響應光催化材料。

具有Aurivillius型晶體結構的鹵氧化鉍(化學式為BiOX,X＝Cl、 Br、I)因其晶胞內正負電荷中心不重合而容易形成電偶極矩，由此產生的極化電場即可以誘導體相電荷發生快速分離，這一特性使其成為近十幾年來的研究熱點。同時，由于Aurivillius結構層間是依靠范德華力結合的，所以展示出較弱的載流子限域能力。這不僅易于載流子的傳輸與分離，而且易于實現層間結構-層內結構的協同調控，進而優化自發極化電場和增強表界面催化效應。因此，亟需開發高效 Aurivillius型光催化材料，以進一步突破當前因載流子分離效率低而導致的自然光催化活性差的難題。

發明內容

本發明的目的在于提供自然光響應的鹵氧化鉍光催化材料的制備方法，利用該方法合成的鹵氧化鉍光催化材料僅在自然光靜置作用下即可實現對有機染料的高效降解。