[发明专利]一种高性能微纳多级结构BiOCl光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料和光催化技术领域，具体是一种高性能微纳多级结构BiOCl光催化材料及其制备方法。

背景技术

利用太阳辐射来治理人类活动所排放污染物的光催化技术为污染物的净化处理提供了一条全新的、充满希望的途径。稳定、廉价、高性能的半导体光催化材料是光催化技术的核心。在目前开发的光催化材料中，TiO₂以其化学性质稳定、能耗低、适用范围广、无毒、催化活性高、氧化能力强等优势，成为最典型的光催化用半导体材料。然而，低的量子效率和较宽的禁带宽度制约着TiO₂在光催化技术领域的实际应用[S.In,A.Orlov,R.Berg,F.García,S.Pedrosa-Jimenez,M.S.Tikhov,D.S.Wright,and R.M.Lambert，J.Am.Chem.Soc.,2007,129,13790-13791.]。

因此，研究人员一方面通过各种途径对TiO₂进行改性以提高其可见光下的实际催化活性，另一方面积极致力于开发其他新型、稳定、廉价、高性能的光催化材料。

近年来，研究人员发现具有层状结构的含铋化合物，如BiVO₄、Bi₂WO₆,、Bi₂MoO₆、Bi₂S₃、BiOCl等表现出良好的光催化活性。其中，BiOCl是一种无毒的无机半导体化合物，具有比TiO₂较正的导带电势和较宽的禁带宽度（～3.4eV），晶体结构为四方PbFCl型，也可看作沿C轴方向的双X-层和[Bi₂O₂]²⁺层交替排列构成的层状结构。由于其独特的层状结构和内部电场有利于光生电子-空穴对的有效分离和电荷转移，因而表现出较高的光催化活性。Zhang等人首次报道了纳米结构BiOCl比商用TiO₂（P25）紫外光下催化降解甲基橙（MO）时表现出了更高的光催化活性。[K.L.Zhang,C.M.Liu,F.Qi.Huang,C.Zheng,W.D.Wang,Appl.Catal.B:Environ.2006，68，125-129.]。Ye等人采用染料敏化的方法，大幅度提高了BiOCl在可见光下光催化降解罗丹明B的活性，明显优于TiO2[L.Q.Ye,C.Q.Gong,J.Y.Liu,L.H.Tian,T.Y.Peng,K.J.Deng,L.Zan.J.Mater.Chem.,2012,22:8354-8360.]。由于其优异独特的性质，对环境友好、高化学稳定性和催化活性的BiOCl已经逐渐成为光催化材料领域中的一颗新星。

此外，人们发现材料的物理/化学性质不仅取决于其本身的化学组分，很大程度上还依赖于其微结构，包括：尺寸、暴露晶面、比表面积、孔道结构等。对于半导体光催化剂来说，纳米级尺寸赋予其高的比表面积，光生电子和空穴更易传递到表面，因而比其对应的本体材料具有更高的光催化效率。再者，由低维纳米单元组装成的三维微纳多级结构，由于具有高的表面/体积比、抗团聚能力、易于从反应体系中分离和大量便于有机小分子迁移的通道，因而较一般纳米结构具有更多优势，光催化活性和效率更高。当前，设计、合成和构筑微纳多级结构的光催化剂来提高光催化活性与效率成为光催化材料研究领域的热点之一。

有关不同微纳多级结构BiOCl的合成方法已有文献报道，然而目前所采用的合成方法基本具有如下缺点：合成流程复杂、合成周期较长、引入有毒的有机溶剂（溶剂热法）、较高的反应温度导致的高能耗等。有关光催化性能优异的微纳多级结构BiOCl光催化材料的简易、有效、成本低廉、对环境友好的合成方法尚未见报道。因此，发展一种简易有效、成本低廉、对环境友好且可大规模工程应用的高光催化活性的微纳多级结构BiOCl光催化材料的合成方法，不仅可以有效拓展BiOCl在光催化领域的实际应用，也为设计和制备其他高性能的微纳多级结构光催化材料和器件提供了重要依据和技术支撑。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种高性能微纳多级结构BiOCl光催化材料及其制备方法。通过引入一种无毒且可生物降解的表面活性剂聚乙烯醇，使反应生成的BiOCl纳米片自组装成微纳多级结构的花状微球，不仅能够满足对环境友好的要求，而且可以发挥纳米单元高催化活性和效率的优势，有效克服现有纳米光催化剂使用过程中难以回收、易产生二次污染的缺陷。