[发明专利]一种p-n型Bi2O3/BiPO4异质结可见光响应型光催化薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化材料技术领域，特别涉及一种高效可见光响应的p-n型Bi₂O₃/BiPO₄异质结光催化薄膜材料及其制备方法。

背景技术

当今社会，人类在面临着日益严重的能源和环境问题的形势下，光催化技术应运而生，并且展现了其优越的应用前景。很多新颖的光催化材料被研制且表现出高的光催化活性。但是，发展高效且实际应用性强的光催化材料仍旧是一个巨大的挑战。已有的研究多采用TiO₂作为光催化材料，但过宽的带隙能(3.2eV)以及显著的光生电子和空穴的复合特性导致其只能利用太阳能中有限的紫外光部分。因此，研制新型高效、稳定的可见光响应型光催化剂是光催化技术领域的关键问题之一。

目前，将两种能带结构匹配的半导体复合，形成异质结构的复合光催化剂，可提高光生载流子的转移速度以及抑制光生电子-空穴的复合，从而提高半导体的光催化活性。近年来，铋系半导体光催化剂因具有良好的催化活性得到了广泛的关注和研究。氧化铋(Bi₂O₃)，能隙带为2.8eV，吸收波长较长，可见光的利用率较高。此外，高活性铋系非金属含氧酸盐光催化剂磷酸铋(BiPO₄)因其特殊的晶体和电子结构从而具有较宽的吸收带隙，可有效降解有机污染物。

公开号为102658121A的中国发明申请公开了一种光降解有机物催化剂Bi₂O₃/Bi₂MoO₆及其制备方法，该申请发明的复合光催化剂是由氧化铋(Bi₂O₃)和钼酸铋(Bi₂MoO₆)组成的。方法为：先将6毫摩尔(2.9105克)的硝酸铋(Bi(NO₃)₃·5H₂O)均匀分散到15毫升去离子水中，搅拌均匀得到A溶液，然后将0.357毫摩尔(0.4414克)的钼酸铵((NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O)溶解于10毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，得到溶液B，然后将B溶液缓慢倒入A中，常温搅拌30分钟，加入5摩尔/升的氢氧化钠溶液，将溶液的pH值调至1.0，将上述溶液装入100毫升的聚四氟乙烯的反应釜中，然后放入150℃的马弗炉中煅烧5小时。将煅烧后的样品进行多次过滤、洗涤后放入马弗炉中300℃煅烧5小时，得到目标催化剂。在可见光的诱导下，0.1克的催化剂可以将100毫升浓度为10^-5摩尔/升的罗丹明B在80分钟内完全降解。

公开号为103433078A的中国专利公开了一种电聚合物/BiPO₄复合光催化剂及其制备方法，方法为：将铋盐先溶解在一定浓度的硝酸溶液中，加入适量柠檬酸，再与计量比的磷酸盐水溶液混合，搅拌均匀，装入反应釜中进行反应，将所得产物离心分离，并真空干燥。取一定量所制备的BiPO₄与导电聚合物单体苯胺或吡咯进行原位反应，产物用水和无水乙醇洗涤几次后，真空干燥后，得到不同种类导电聚合物修饰的导电聚合物/BiPO₄复合光催化剂。该方法工艺简单，成本低廉，制备的导电聚合物/BiPO₄复合光催化剂具有较高的可见光催化活性。

然而，传统的复合光催化剂大多以粉末为主，当材料在液相体系中进行反应后，悬浮型的催化剂粉末是难以分离和回收利用的，所以粉末状的催化剂很难被应用在连续流动式的循环系统中。因此，开发高活性及稳定的薄膜状光催化材料有着可观的应用前景。

此外，半导体材料的复合可有效提高光催化剂催化活性，远高于单个半导体材料的催化性能。但是，由于半导体之间能带和结构存在着极大的差异，只有价带和导带位置相互匹配的两种光催化材料，在可响应光源的照射下，产生的电子和空穴能够高速地转移，最大地减小电子-空穴的复合程度，才有可能得到光催化效果更好的材料。因此，寻找相互匹配半导体进行复合并形成高效的光催化剂是亟待解决的关键性问题。

发明内容

本发明提供了一种p-n型Bi₂O₃/BiPO₄异质结可见光响应型光催化薄膜材料及其制备方法，复合光催化剂表现出较高的光催化活性及稳定性，且光电催化降解效果较好。