[发明专利]一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及环境污染治理和清洁能源技术领域，具体涉及一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

目前，能源短缺和环境污染成为人们急需解决的重大问题。开发和利用新型清洁能源势在必行。半导体光催化技术可以利用太阳光能分解水产生氢气，还原二氧化碳和降解有机污染物等，为解决能源短缺和环境污染问题提供了一条重要途径。光催化过程可以分为三个主要步骤。首先，半导体价带上的电子受能量大于其带隙的光激发产生光生载流子；其次，光生载流子从半导体的内部向表面迁移；最后，光生载流子在半导体表面参与氧化还原反应。经过近几十年的发展，光催化技术取得了很大进展，但目前光催化材料的催化活性仍然较低。有两个主要原因，一方面是传统光催化材料二氧化钛(TiO₂)只能吸收约占太阳能4％左右的紫外光，而占太阳能53％的可见光和43％的近红外光不能被吸收和利用。另一方面，光生载流子在迁移过程中，大量的载流子在半导体的内部或表面发生复合，导致这些材料的量子效率很低。因此，人们采用各种不同的方法提高光催化材料的光吸收和量子效率。开发和发展新型光催化材料实现光催化技术的应用。

综上所述，现有技术中由于现有的金属或者金属修饰的半导体光催化剂可能造成环境的二次污染，同时繁杂的生产工艺产生更高的生产成本；而且传统光催化剂的电子和空穴的迁移率相差小使得光生载流子复合几率增大，大大降低了其光能的利用效率。以上技术问题尚缺乏有效的解决方法。

发明内容

为了上述现有技术的不足，本发明提供了一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂，该类催化剂可以解决传统光催化剂中存在的金属污染、高生产成本、光能利用率低、载流子复合率高等技术问题，其结构合理可靠，既能明显提高可见光吸收率，减少光生载流子的复合，又能不产生金属污染，是一种环境友好的全新光解水催化剂。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种环保无机非金属双螺旋结构光催化剂，为三维双螺旋网状结构，结构上属于P2/c(α＝90°，β>90°，γ＝90°)空间群，由两个一维双螺旋分子链通过范德华力相互连接而成；

每个一维双螺旋分子链均包含21个原子，其分子式为(XYP)7，由两个螺旋分子单链嵌套而成，内部的是由磷原子连接而成的[P]₇螺旋分子单链，外部是[XY]₇螺旋分子单链；

其中，X为第四主族的硅、锗或锡元素，Y为第七主族的氯、溴或碘元素，同一螺旋分子单链中相邻两个原子之间通过共价键连接。

进一步的，所述[P]₇螺旋分子单链的螺旋直径为螺距为倾斜角为0°。

进一步的，所述[XY]₇螺旋分子单链的螺旋直径为螺距为倾斜角为0°。

进一步的，所述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂的晶格的三组晶格参数分别为：a，b，c，

进一步的，所述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂中，P-P键的平均键长为X-Y键的平均键长为

进一步的，所述一维双螺旋分子链的长度为P-P键的平均键长为X-Y键的平均键长为结合能为15.4-29.6kJ/mol。

进一步的，所述一维双螺旋分子链的带隙为1.7-3.2eV。

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明还提供了上述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂的制备方法，包括如下步骤：将X单质、Y盐和红磷的粉末混合物压制成颗粒，并且在真空环境下密封在石英玻璃安瓿中，将安瓿置于马沸炉中，使原料处于温度为600-700K的热区中反应，冷却，然后经过热处理，即得。

以XYP双螺旋无机光催化剂中的SnIP为例，可以将锡、SnI4和红磷的粉末的混合物高压压制成颗粒，并且在真空环境下密封在石英玻璃安瓿中。将安瓿置于NABERTHERM马沸炉中，使原料处于温度为673K的热区中。等待熔体在75小时的时间内以5K/h的速度冷却为室温。随后，通过将熔体加热至923K紧接着以2K/h的冷却速度降温至773K(持续时间为15小时)并且以1K/h的冷却速度降至室温，即可获得双螺旋无机材料SnIP的单晶结构。此外纳米结构形态的SnIP可以通过胶带(Lensguard 7568by N_ITTO)机械剥离或者氯仿、N-甲基-2-吡咯烷酮或甲苯等化学溶剂方法剥离。

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明还提供了上述环保无机非金属双螺旋结构光催化剂在催化光解水中的应用。