[发明专利]石墨烯基中空分级结构复合光催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯基中空分级结构复合光催化剂的制备方法和应用，属于材料技术领域；本发明以石墨烯为基底，乙醇和乙酸形成软模板，铋源作为原料以及配位剂，采用水热和微波溶剂热两步法制备出具有三维中空分级结构的石墨烯基Bi/Bi₂WO₆复合光催化剂；本发明具有工艺简单、制备时间短、效率高、安全可靠等优点，所合成的复合光催化剂形貌可控和高比表面积，可高效吸附降解染料废水中的有机物并在可见光下将其分解为水和二氧化碳，在水处理领域有应用前景。

技术领域

本发明涉及到一种具有高光催化活性的石墨烯基金属铋沉积Bi₂WO₆中空分级结构微球复合光催化材料的制备方法，属于光催化剂材料制备技术领域。

背景技术

以水体污染为代表的环境问题已经对社会发展和人类生存造成严重影响。光催化因其反应条件温和、操作简便、无二次污染、能量来源环保等特点而在环境和能源领域被深入研究。二氧化钛（TiO₂）是目前研究最多、使用范围最广的半导体光催化材料之一，但由于TiO₂禁带宽度（3.2 eV）较宽，而对太阳光的利用率低。铋系半导体结构稳定，禁带宽度大多在3.0 eV以下，使其能够对可见光进行吸收，具有更高的光能利用概率，因此光催化领域应用前景广阔。其中，Bi₂WO₆作为一种由(WO₄)^2–层和(Bi₂O₂)²⁺层组成的层状结构半导体，极易形成由纳米片组成的大比表面积、高孔隙率、表面活性位点更多的三维分级结构，有利于污染物的吸附和降解。尽管如此，单一的Bi₂WO₆存在光生电子-空穴对复合率较高，使其光量子效率降低。采用金属纳米粒子负载可在金属纳米粒子与Bi₂WO₆间形成肖特基势垒，有效降低存在光生电子-空穴对复合率，从而改善催化剂的光量子效率。另一方面，因纳米粒子容易团聚让比表面积和表面孔隙率降低，也使得光催化剂效率降低。另一方面，纳米粒子的经常在制备过程中经常发生团聚，通常引入具有大比面积基底物，尤其是采用二维（2D）材料提高吸附能力并提供更多活性位点来与污染物反应，比如石墨烯是一种典型的具有柔性分层特征的二维碳质材料，同时RGO可以充当电荷传输桥以加速电子在金属纳米粒子和Bi₂WO₆之间的转移；进一步改善光生电子的转移和传递，使得光催化剂的效率提高。选择禁带宽度窄的金属Bi与Bi₂WO₆和石墨烯负载构建复合体系，可以实现光生电子空穴的快速分离，增大催化剂的比表面积；提供更多的反应活性位点；制备出具有优异的光催化活性的可见光响应光催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种由石墨烯基金属粒子沉积的中空分级结构复合光催化剂的制备方法，以解决针对单一半导体所存在的缺点以及现有技术的不足，本发明所述具有高光催化活性的石墨烯基金属铋沉积B_i2WO₆中空分级结构微球复合光催化材料的制备方法以石墨烯为催化剂载体，金属Bi和Bi₂WO₆为活性部分，采用常规水热-微波溶剂热两步法制得，制备方法的具体步骤如下：

取5~100mg氧化石墨烯在超声条件下分散到5-10mL乙醇溶液中，取0.001~0.01mol的钨源溶于石墨烯醇溶液中，随后滴加乙酸溶液获得溶液A；然后取0.002~0.02mol的铋源溶于去离子水中，然后将铋源溶液在超声条件下滴加到溶液A中，滴加完成后超声搅拌使之混合均匀；随后将混合溶液转移置水热合成装置中进行反应，待反应完成后，进行抽滤、洗涤、真空干燥得到石墨烯-钨酸铋复合物；