[发明专利]一种氮化碳/(040)晶面钒酸铋异质结及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮化碳/(040)晶面钒酸铋异质结及其制备方法和应用，该方法先通过水热法合成(040)晶面BiVO₄粉体，并通过煅烧法获得g‑C₃N₄粉体，再将制备好的(040)晶面BiVO₄粉体溶于超声均匀的g‑C₃N₄水溶液中，经搅拌得前驱液，前驱液在常温下进行超声反应，制得g‑C₃N₄/(040)晶面BiVO₄异质结光催化剂，复合后g‑C₃N₄与(040)晶面BiVO₄两相共存，且两相共同生长，并保持各自的生长趋势，g‑C₃N₄和(040)晶面BiVO₄之间形成了异质结且相互间能级匹配，有利于光生电子和空穴的分离，使(040)晶面BiVO₄光响应范围变大，光生载流子的分离率提高，从而提高(040)晶面BiVO₄在可见光下的光催化性能。

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及一种g-C₃N₄/(040)晶面BiVO₄异质结及其制备方法和应用。

背景技术

BiVO₄主要有三种晶体结构，分别为四方白钨矿结构、单斜白钨矿结构和四方锆石结构。四方相主要在紫外光区有吸收带，而单斜相的BiVO₄除了紫外光区吸收带外，在可见光区也有明显的吸收带。单斜相的BiVO₄紫外光区的吸收主要是借助于电子从O2p轨道跃迁到V3d轨道而形成的，而单斜相BiVO₄可见光区的吸收带则主要是由电子从Bi6s轨道或者Bi6s和O2p的杂化轨道跃迁到V3d轨道而产生的。单斜相钒酸铋禁带宽度约为2.4eV，非常接近于太阳光谱中心，其吸收阈值可延长至5203nm左右。单斜相BiVO₄属于12/a型空间群，其具体晶胞参数是：a＝5.195，b＝11.701，c＝5.092，α＝90.0°，β＝90.38°，γ＝90.0°。单斜相BiVO₄中每个V原子和4个O原子之间成键组成V-O，V-O四面体之间相互不接触，每个Bi原子与6个原子之间成键组成Bi-O八面体，该配位多面体可以被视为由两个相同尺寸的四面体相互贯穿而成的，而Bi-O八面体之间以边相邻交替，一个Bi原子周围环绕着八个V-O四面体，它们共用一个O原子。

BiVO₄是一种新型半导体材料，由于具有能隙窄、可见光催化活性高等优点被广泛应用于光催化领域。然而BiVO₄催化剂存在比表面积小、光量子利用率低、电子和空穴复合几率高、吸附性能差、光生载流子难以迁移等问题，研究者提出可通过两方面提高BiVO₄的光催化性能，一是提高BiVO₄本身的活性，如提高结晶度，改善形貌，增加高活性晶面的暴露等。其中单斜相钒酸铋的(040)晶面提供了多原子BiVO₄中心，可能是光催化产氧活性点的起源特别有助于催化剂表面高活性氧化活性物种·OH的产生，提高降解率；二是对BiVO₄进行改性如：金属沉积、非金属掺杂、表面修饰、与有机物杂化、半导体复合等；其中，通过半导体复合形成有效异质结可以提高光生载流子的分离率，增强其活性。