[发明专利]一种铋金属自掺杂的卤化氧铋的制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明设计光电化学材料领域，特指一种铋金属自掺杂的卤化氧铋的制备方法及其用途。

背景技术

近年来，光电化学(PEC)，作为一种新开发的技术，受到全球的关注，被广泛用于光解水，污染物降解，太阳能转换和生物传感等领域。光电化学过程是光生电的过程，即感光材料在光照射下，电子受到激发，以电子转移的方式传递电荷到电极表面而产生电化学信号的过程。当照射光能量等于或大于半导体带隙(Eg)的能量时，电子(e^-)受激发由价带跃迁到导带，价带上则产生空穴(h⁺)，电子与空穴有效分离，便实现了光电转化，具有光电化学活性的物质受光激发后发生光电化学反应，从而形成光电压或者光电流。光电化学技术集光与电化学技术升级于一体，表现出一优越的选择性，便携性，小型化，廉价等优点。

卤化氧铋(BiOX,X＝Cl,Br,I)，作为一种层状金属氧化半导体，具有较好的光电性能，开辟了新型可见光响应光电材料研究的新途径，因而成为社会关注的热点。然而它们具有光吸收效率低，电荷转移速度慢和光生电子与空穴对较高的复合概率等缺点，严重限制了其光电性能。因此，很有必要提出改进的方法来提高光生电子-空穴对的分离效率，进一步拓宽其光电化学的实际应用。其中金属掺杂作为一种有效的方法大大提升了BiOX(X＝Cl,Br,I)的光电性能。它指出，金属纳米粒子，如金，银，和铂有一个肖特基势垒的界面处，它作为一个电子陷阱，有利于电子传输和电子-空穴对的分离。类似的，金属铋表现出高度各向异性的费米面，长的载流子的平均自由路径，载流子密度低，小的载流子有效质量，和较小的带隙等特点，且成本低廉，无毒(Z.K.Cui,Y.G.Zhang,S.L.Li,S.X.Ge,Catal.Commun.72(2015)97-100.)。目前，有文献报道铋金属沉积在半导体光催化剂表面，如Bi/BiOI(C.Chang,L.Y.Zhu,Y.Fu,X.L.Chu,Chem.Eng.J.233(2013)305-314)，Bi/TiO₂(H.Y.Li,J.F.Liu,J.J.Qian,Q.Y.Li,J.J.Yang,Chin.J.Catal.35(9)(2014)1578-1589)，和Bi/BiOCl(M.C.Gao,D.F.Zhang,X.P.Pu,K.Y.Ding,H.Li,T.T.Zhang,H.Y.Ma,Sep.Purif.Technol.149(27)(2015)288-294)，大大提高了催化剂中的电子和空穴的分离效率，提高复合材料的光电性能。目前为止，利用溶剂热一步法合成Bi/BiOX(X＝Cl,Br,I)，并探讨其光电性能尚未有报道。

发明内容

本发明旨在提出一种铋金属自掺杂的卤化氧铋的制备方法。对比于BiOX(X＝Cl,Br,I)单体，金属铋的引入加速复合材料的电荷转移，促进了光生电子-空穴对的有效分离，并获得了更优异的光电性能。

本发明采用的技术方案为：

一种铋金属自掺杂的卤化氧铋的制备方法，按照下述步骤进行：

首先，称取含有卤素的离子液体放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，其次，加入乙二醇，并进行充分溶解；再将葡萄糖和五水·硝酸铋加入反应釜中，搅拌至混合均匀；进行恒温热反应，反应完毕后自然冷却至室温；将固体产物经醇洗，水洗，离心分离，干燥得到铋金属自掺杂的卤化氧铋，记为Bi/BiOX，其中，X为Cl、Br或I。

制备卤化氧铋单体与制备铋金属自掺杂的卤化氧铋方法相同，只是不加入葡萄糖：首先，称取含有卤素的离子液体放入聚四氟乙烯内衬反应釜中，其次，加入乙二醇，并进行充分溶解；另将五水·硝酸铋加入反应釜中，并持续搅拌至混合均匀；进行恒温热反应，反应完毕后自然冷却至室温；将固体产物经醇洗，水洗，离心分离，干燥得到卤化氧铋单体，记为BiOX，其中，X为Cl、Br或I。

所述的含有卤素的离子液体、乙二醇、葡萄糖和五水硝酸铋的用量比为1mmol：20mL：0.1～1.0g：1mmol。

所述的含有卤素的离子液体为含有氯源的1-十六烷基-3-甲基咪唑氯盐([C16mim]Cl)、含有溴源的1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐([C16mim]Br)或含有碘源的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐([Bmim]I)。

所述恒温热反应的温度为140-160℃，反应时间为24h；所述的干燥温度为50℃，干燥时间为12h。

所制备的铋金属自掺杂的卤化氧铋用于制备修饰电极，通过光电化学检测对氯苯酚(4-CP)、环丙沙星(CIP)或苯酚。