[发明专利]一种铋系光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化的技术领域，尤其涉及一种铋系光催化剂及其制备方法。

背景技术

环境污染和能源短缺是当前人类面临的重大挑战，太阳能是一种新兴的清洁能源，利用太阳能解决全球性的环境和能源问题越来越受到国内外学者的重视。在环境方面，光催化技术借助太阳能对水与空气中的各种污染物进行降解或矿化；在能源方面，光催化技术能够将低密度的太阳能转换为高密度的化学能和电能，这种利用太阳能解决能源和环境问题的光催化技术越来越受到广大研究者的关注，光催化在净化环境和开发清洁能源等方面都有着巨大的应用潜力。

在光催化过程中起着重要作用的是光催化材料。在光催化材料中，TiO₂因无毒，具有较强的氧化能力和稳定的化学性质，成为世界上最当红的光催化剂材料，然而现有技术中TiO₂类光催化剂的光量子转换效率较低，光响应范围较窄，对可见光的利用率低，因此制约了光催化技术的发展。为了解决上述问题，通常是对TiO₂进行金属掺杂、非金属掺杂、半导体复合、光敏化改性和加氢处理等，或开发新型的可用作光催化剂的半导体材料，如复合金属氧化物、氮氧金属化物或聚合物等，还可以开发基于等离子效应的光催化材料，如Ag/AgX(X＝Cl、Br或I)和Ag/AgI/Al₂O₃等，在开发新的光催化材料的过程中，半导体材料因为具有独特的光催化性质，受到了研究者的广泛关注。

在对半导体类光催化剂的研究中，铋系半导体材料具有独特的电子结构，优良的光吸收能力和较高的光催化性能，其得到的较广泛的研究和开发。目前，被广泛用作光催化剂的铋系半导体材料有(BiO)₂CO₃、Bi₂WO₆，Bi₄Ti₃O₁₂，BiOX，BiVO₄，BiFeO₃和Bi₂Ti₂O₇，在这些铋系半导体材料中尤其是(BiO)₂CO₃的应用最为广泛。在(BiO)₂CO₃的结构中，Bi 6s和Bi 6p轨道分别参与价带和导带的构成，使禁带宽度变窄；Bi 6s和O 2p轨道杂化使得铋系光催化剂的价带更为分散，有利于光生空穴在价带上的移动，从而降低光生空穴与光生电子的复合，使得铋系光催化剂具有良好的光催化活性。然而现有技术中的(BiO)₂CO₃的禁带宽度为3.1eV～3.5eV，仅在紫外光照射下具有光催化活性，无法吸收可见光，限制了(BiO)₂CO₃类铋系光催化剂的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铋系光催化剂及其制备方法，本发明提供的铋系光催化剂能够吸收可见光，具有较高的可见光催化活性，拓宽了铋系光催化剂的吸收光谱的范围。

本发明提供一种铋系光催化剂，具有式(I)所示的分子式：

N_m[(BiO)₂CO₃]_(1-m)    (I)；

其中，m为0.01％～5％。

优选的，所述m为0.1％～3％。

本发明提供一种铋系光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将铋源和氮源在水溶液中进行水热反应，得到具有式(I)所示分子式的铋系光催化剂：

N_m[(BiO)₂CO₃]_(1-m)    (I)；

其中，m为0.01％～5％；

所述铋源为柠檬酸铋或柠檬酸铋氨。

优选的，所述氮源为氨水、硫酸铵、硫酸氢铵、硝酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、单氰胺或二氰二氨。

优选的，所述铋源与所述氮源的摩尔比为1∶(0.1～40)。

优选的，所述铋源与所述氮源的摩尔比为1∶(1～10)。

优选的，所述混合溶液中铋源的摩尔浓度为0.001mol/L～1.0mol/L。

优选的，所述水热反应的温度为120℃～250℃。

优选的，所述水热反应的填充度为10％～90％