[发明专利]一种调控Aurivillius结构氧化物材料光催化活性的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种调控Aurivillius结构氧化物材料光催化活性的方法及其应用，属于无机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域。该方法通过调整Aurivillius结构氧化物晶体的偶极矩来改变光照条件下该材料的光生电子与空穴分离行为，从而实现Aurivillius结构氧化物材料光催化活性的调控。可以通过湿化学合成工艺的设计，在不改变相组成与成分的前提下，调整Aurivillius结构氧化物的偶极距，从而提高材料的光催化活性。所制备的Aurivillius型氧化物材料在光照条件下直接应用于水中有机染料、芳香类有机物、抗生素或水中微生物的光催化降解净化。

技术领域

本发明涉及无机非金属纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域，具体涉及一种调控Aurivillius结构氧化物材料催化活性的方法及其应用，该材料应用于净水领域。

背景技术

光催化技术因在太阳能利用和环境修复领域有着广阔的应用前景而受到了科技工作者的广泛关注。从光催化反应的基本过程出发，可以把光催化过程分为三大步骤，即光能吸收、光生电子空穴对分离和表面反应。光生电子与空穴的分离效率直接影响材料光催化的活性。Aurivillius型氧化物材料(Bi系层状钙钛矿结构材料)为层状结构，是由[MO₆]^2-钙钛矿片层和[Bi₂O₂]²⁺萤石片层交替排列堆叠形成的二元金属氧化物晶体材料(M代表其他金属元素)。层状堆叠的结合方式导致该体系晶体具有一定的极性，在光照的条件下，Aurivillius型氧化物晶体的极性将有利于光生电子与空穴分离。在Aurivillius型氧化物材料的光催化研究方向上，大多采用形貌控制以及复合的方法来改变其光催化活性，但通过改变Aurivillius型氧化物晶体极性的手段来调控材料的光催化活性，目前尚无报道。

通过反应环境中极性的调整来控制氧多面体的脱水来实现对氧化物晶体生长行为的调整，在一元金属氧化物制备的研究中(如二氧化钛、氧化锌等)[J.A.Zhu etal.Crystengcomm 12(2010)；张学华等，中国科学(E辑)34(2004)]，已是较为广泛应用的技术手段，但对于Aurivillius型这种具有二元金属氧化物材料来说，反应环境的调整主要目的在于调整形成氧化物的各相比例以及颗粒尺寸，但是由于Aurivillius型二元金属氧化物晶体中具有松散的层状结构，层与层直接靠范德华力结合，反应环境极性的调整在影响氧多面体的脱水的同时必然会导致晶体结构层间的静电吸引，从而导致该类氧化物晶体常数的变化，这在该方向的研究中是不容易被想到的。因此，对于Aurivillius型这种具有二元金属氧化物的制备技术的研究方向来说，根据该体系晶体结构的特点采用调控反应环境的极性来调整其晶体结构的研究显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调控Aurivillius结构氧化物材料催化活性的方法及其应用，该方法通过调整Aurivillius结构氧化物的偶极距，改变光照条件下该结构氧化物光生电子与空穴的分离行为，从而提高材料的光催化活性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种调控Aurivillius结构氧化物材料光催化活性的方法，该方法通过调整Aurivillius结构氧化物晶体的偶极距来改变光照条件下该材料的光生电子与空穴分离行为，从而实现Aurivillius结构氧化物材料光催化活性的调控。

所述Aurivillius结构氧化物材料为层状堆叠结构，调整Aurivillius结构氧化物晶体的偶极距是通过改变该材料极性方向的晶格常数b来实现。所述Aurivillius结构氧化物晶体其层状堆叠结构的极性方向压缩越大(层状堆叠结构的层间距离越小，则其光催化活性越高)，其光催化活性越高。

本发明通过采用湿化学合成工艺制备Aurivillius结构氧化物材料，在不改变相组成与成分的前提下实现Aurivillius结构氧化物晶体的偶极距调整；所述湿化学合成工艺具体包括如下步骤：