CN109759122A - 一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂的制备方法。以五水合硝酸铋、溴化钾、石墨相氮化碳和硝酸银为原料，将制得的石墨相氮化碳和溴化银与溴氧化铋复合实现改性，通过一步溶剂热法制得溴氧化铋三元异质结构光催化剂。本发明制备的改性溴氧化铋比较纯的溴氧化铋具有更小的禁带宽度及更高的可见光光吸收效果。更小的禁带宽度降低了光生电子空穴的传输距离，提高了光生电子空穴的分离效率，降低了复合率，更高的光吸收效果提高了光子利用率，提高了电子空穴对产生率，极大地改善了在可见光下的光催化活性。该方法具有成本低和方便操作的优点。利用它可在可见光下降解有机污染物，在环境净化中具有重要的实用价值。

Description

一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，具体涉及一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

光催化技术可以有效的解决能源和环境问题，受到日益广泛的关注。光催化材料能够利用太阳光水解制氢，还可以分解有害物质和生产生活产生的废物，解决人类赖以生存的能源与环境问题。目前，光催化剂受光照射后产生的电子-空穴对复合率大，光子利用效率低，光催化活性不高。因此对半导体光催化剂进行改性研究是有必要的，改性的目的和作用包括抑制电子空穴对复合以提高量子效率，提高光催化剂比表面积。

溴氧化铋光催化剂(BiOBr)是一种非金属P型半导体，由Bi、O和Br元素组成，由于其具有良好的化学稳定性、热学稳定性及光学特性而受到人们广泛的关注，其禁带宽度为2.7eV，可以吸收波长小于600nm的可见光，展示了非金属光催化剂降解污染物的巨大潜力。BiOBr是一类重要的三元铋系半导体化合物，为氯氟铅矿型，属于四方晶系。具有独特的电子结构、优良的可见光吸收能力、较高的稳定性、制备成本较低以及对有机污染物良好的降解能力。纯的BiOBr光催化剂由于弱可见光吸收响应，高的电荷复合，小的比表面积，光生电子-空穴易复合，从而导致使其光催化能力受限，因而需要对其进行改性。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备方法简单、操作方便、成本低、条件温和、催化效率高的三元异质结构溴氧化铋光催化剂的制备方法。本发明采用的技术方案是：一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂，制备方法包括以下步骤：

1)将溴化钾于乙二醇中搅拌溶解后加入g-C3N4粉末搅拌均匀，得溶液A；

2)将五水合硝酸铋于乙二醇中加热搅拌溶解，待溶液冷却至室温后加入硝酸银超声溶解，得溶液B；

3)将溶液A逐滴加入溶液B中并搅拌1-2h后置于高压水热釜中，将高压水热釜置于烘箱中加热进行反应，反应结束后将高压水热釜降至室温，离心洗涤后于烘箱中干燥，得目标产物。

上述的一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂，步骤2)中，所述的加热温度为70-100℃。

上述的一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂，按摩尔比，溴化钾：五水合硝酸铋：硝酸银：石墨相氮化碳＝1:0.8:0.08:0.04。

上述的一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂，步骤3)中，所述的加热温度为100-120℃，加热时间为10-16h。

溴氧化铋三元异质结构光催化剂在可见光下降解有机污染物中的应用。

上述的应用，于含有有机污染物的废水中，加入上述的溴氧化铋三元异质结构光催化剂，在可见光下降解1-2h。

上述的应用，所述的有机污染物是罗明丹B。

本发明的有益效果是：

本发明通过一步溶剂热法改性制备了BiOBr、g-C₃N₄和AgBr复合的三元异质结构光催化剂，获得的BiOBr拥有较低的禁带宽度及较高的可见光吸收响应。较低的禁带宽度降低了光生电子空穴的传输距离，提高了光生电子空穴的分离效率，降低了复合率，较高的可见光吸收响应提高了光子利用率，提高了电子空穴对产生率，极大地改善了在可见光下的光催化活性。通过本发明的方法制备的催化剂稳定性好，化学性质稳定，可以重复使用。可见光下降解罗丹明B的速率比纯的g-C₃N₄高了3.5倍。

附图说明

图1为实施例1制备的纯的BiOBr催化剂的XRD图。

图2为实施例1制备的纯的BiOBr催化剂的SEM图。

图3为实施例2制备的三元异质结构BiOBr催化剂的XRD图。

图4为实施例2制备的三元异质结构BiOBr催化剂的SEM图。

图5为纯BiOBr催化剂和三元异质结构BiOBr催化剂的紫外可见吸收光谱对比图。

图6为纯BiOBr催化剂和三元异质结构BiOBr催化剂的带隙对比图。

图7为纯BiOBr和三元异质结构BiOBr催化剂在光催化降解罗丹明B的降解速率对比图。

具体实施方式

实施例1纯的BiOBr光催化剂

(一)制备方法

量取1.94g五水合硝酸铋加热搅拌溶解于20毫升乙二醇中，冷却至室温。量取0.595g溴化钾搅拌溶解于20毫升乙二醇中。将溶解有溴化钾的乙二醇逐滴加入硝酸铋溶液中搅拌1h后于120℃高压水热釜中保持12h。待高压水热釜冷却至室温后用去离子水和乙醇离心洗涤干燥，得到纯的BiOBr光催化剂。

(二)检测

图1为纯的BiOBr光催化剂样品的XRD检测。由图1可见，未存在其他杂峰，说明产物中不存在其他杂质相，得到的是单一的物相。从图中可以看出样品具有较好的结晶度。图2为纯的BiOBr光催化剂样品的SEM检测。由图2可见，纯的BiOBr显示出典型的球状结构，单个球的直径在2-3μm。

实施例2三元异质结构BiOBr光催化剂

1)将0.595g溴化钾于20mL乙二醇中搅拌溶解，然后加入0.0184g g-C3N4搅拌30min，得溶液A。

2)将1.94g五水合硝酸铋于20mL乙二醇中加热溶解后冷却至室温，然后加入0.068g硝酸银搅拌溶解，得溶液B。

3)将溶液A逐滴加入溶液B中并搅拌1-2h后置于高压水热釜中，将高压水热釜置于120℃烘箱中保持12h，反应结束后用去离子水和乙醇离心洗涤，烘干，得三元异质结构BiOBr。

(二)检测

图3为三元异质结构BiOBr催化剂样品的XRD检测。由图3可见样品具有良好的结晶度，如图所示样品在31.1度和44.5度出现两个衍射峰，分别对应与AgBr的(200)和(220)晶面。由于纯的BiOBr和三元异质结构BiOBr的XRD特征峰相似，说明用复合g-C3N4和AgBr制备BiOBr的过程中没有影响BiOBr微球的形成。

图4为三元异质结构BiOBr催化剂样品的SEM检测。由图4可见，样品的微球结构由大量纳米薄片密集的堆积在一起，这些纳米薄片边缘不规则，宽度约为50-100nm。

图5为纯的BiOBr和三元异质结构BiOBr样品的紫外可见吸收光谱对比图。由图5可见三元异质结构BiOBr光催化剂在450-600nm可见光波段的吸收效果明显高于纯的BiOBr催化剂，极大的提高了光能利用率。

图6为纯的BiOBr和三元异质结构BiOBr样品的带隙谱图检测。由图6可见三元异质结构BiOBr光催化剂的带隙明显低于纯的BiOBr催化剂，小的禁带宽度降低了光生电子空穴的传输距离，提高了光生电子空穴的分离效率，降低了复合率。

实施例3三元异质结构BiOBr光催化剂的应用

将实施例1、实施例2制备的三元异质结构BiOBr光催化剂进行光催化剂材料性能测试。方法如下：分别将纯的BiOBr和三元异质结构BiOBr各0.01g放于100ml玻璃烧杯中，各加入50ml的2g/ml罗丹明b溶液，暗室中搅拌1h。以300W氙灯为光源，光电流调节到20mA位置，将玻璃烧杯置于氙灯光源正下方，抽取第一次样后立即开启氙灯光照，10min之后，抽取第二次样，每隔10分钟抽取一次样，将每一次样品进行可见光吸收测试，比较各吸收峰面积。结果如图7所示，在光照1h后，纯BiOBr催化剂将罗丹明b降解了30％，而三元异质结构BiOBr将罗丹明b降解了95％左右，体现出三元异质结构BiOBr具有更高的催化能力。

Claims (7)

1.一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

1)将溴化钾于乙二醇中搅拌溶解后加入g-C₃N₄粉末搅拌均匀，得溶液A；

2)将五水合硝酸铋于乙二醇中加热搅拌溶解，待溶液冷却至室温后加入硝酸银超声溶解，得溶液B；

3)将溶液A逐滴加入溶液B中并搅拌1-2h后置于高压水热釜中，将高压水热釜置于烘箱中加热进行反应，反应结束后将高压水热釜降至室温，将釜内产物离心洗涤后于烘箱中干燥，得目标产物。

2.根据权利要求1所述的一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂，其特征在于，步骤2)中，所述的加热温度为70-100℃。

3.根据权利要求1所述的一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂，其特征在于，按摩尔比，溴化钾：五水合硝酸铋：硝酸银：石墨相氮化碳＝1:0.8:0.08:0.04。

4.根据权利要求1所述的一种溴氧化铋三元异质结构光催化剂，其特征在于，步骤3)中，所述的加热温度为100-120℃，加热时间为10-16h。

5.权利要求1所述的溴氧化铋三元异质结构光催化剂在可见光下降解有机污染物中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，于含有有机污染物的废水中，加入权利要求1-4任一所述的溴氧化铋三元异质结构光催化剂，在可见光下降解1-3h。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的有机污染物是罗明丹B。