[发明专利]低温相氧化铋光催化剂的退火方法

说明书

技术领域

本发明涉及在高压氧气氛条件下对低温相氧化铋光催化材料进行高温退火处理以提高其对于可见光的利用率，属于半导体光催化领域。

背景技术

半导体催化剂由于其在处理污水上的潜在应用而受到广泛关注。低温相（α相）半导体Bi₂O₃的带隙能为2.85 eV，结构特征是在准八面体的结构单元{BiO₅}中含有变形的五配位的Bi。其晶体结构数据为：α=0.584 (2) nm，b=0.815 (3) nm，c=0.750 (3) nm，β=112.97(1)°，空间群为P21/c，并且具有氧空位多、光生电子和空穴分离能力强、光折射率高等优点，是研究前景广阔的新型光催化剂。国外学者于1988年使用Bi₂O₃粉体作为光催化剂[1]，在紫外光条件下进行水中降解有机污染物的实验，并得到了良好的效果。但Bi₂O₃光催化剂难以走向实用化，其原因在带隙较宽，理论上只能波长λ≤435 nm的紫光和紫外光才能使其激发出光生电子空穴，在绝大部分可见光范围内没有光响应。因此，其吸收谱带仅限于紫光和紫外光的弱点成为了其实际化应用的瓶颈问题，因而如何进一步拓宽氧化铋对于可见光的吸收谱带进而提高催化效率仍是重要研究课题。为了提高氧化铋对于可见光的利用率，人们对氧化铋进行各种改性，但依旧没有得到实质性的进展。

我们知道，通过创造对可见光响应的深能级晶格缺陷如氧空位[2]，使得材料产生从价带到深受主能级或者受施主能级到导带的电子跃迁，则有望解决宽带隙材料对可见光无响应或利用率较低的难题。因此，我们提出，如果可以通过一定的退火处理在氧化铋晶格中创造理论受主能级很深的Bi空位缺陷，则很有可能展宽氧化铋材料对可见光的吸收谱带，因此，一方面有望推动氧化铋材料的实际应用，另一方面提高氧化铋材料对于可见光的利用率，从而有望大幅度改善其光催化效果。在前期工作中，我们发现在高压氧气氛退火环境中，ZnO半导体单晶中容易产生Zn空位缺陷，这意味着在富氧高温环境下，氧化物半导体中很容易产生金属空位缺陷。因此，借用这一思路，我们可以通过高压氧气氛的高温退火，进而在氧化铋中创造高浓度的Bi受主型空位缺陷，最终提高氧化铋材料对于可见光的利用率。

参考文献：

[1] H. Anthony, M. T. John, W. Z. Zhou, et al. A new family of photocatalysts based on Bi₂O₃. Journal of Solid State Chemistry, 1988,1:126-130.

[2] Chang, G. Yu, J. Huang, Z. Li, S. Zhu, P. Yu, C. Cheng, S. Deng and G. Ji, Catalyst Today, 2010, 153:193–199.

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过增加氧气分压，提高低温相氧化铋光催化材料对于可见光的利用率的退火方法。

本发明的技术方案是采取在密封的石英管中，加入供氧物（可受热分解产生氧气的化合物或者它们的混合物）和低温相氧化铋，加热使供氧化合物分解产生氧气，从而产生压强大于一个大气压的氧气气氛，达到提高氧化铋对于可见光的利用率的目的。

本发明提供的方法包括以下步骤：将氧化铋和供氧化合物真空密封，置于加热炉进行高温保温退火，最后自然降温，获得对可见光吸收谱带宽且吸收强度高的氧化铋。

所述的供氧化合物为高锰酸钾、氯酸钾或过氧化物，或者前述化合物的混合物。

所述的高温退火保温为300℃～730℃，保温时间为1-72小时。

本发明的机理和技术特点是在通过提高氧分压的方法来产生对可见光响应的缺陷能级铋空位晶格缺陷，进而使得氧化铋对可见光产生吸收，最终提高氧化铋的光催化效率。

本发明所采用的通过增加氧气分压对氧化铋进行退火的方法，加热后，石英管中可以产生3-4个大气压的氧气氛，从而有效地产生铋空位这种对可见光响应的深受主能级，使得氧化铋在可见光照射下具有增强的光催化活性。

具体实施方式

下面通过具体实施例的阐述，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1