[发明专利]掺杂诱导制备钨系光催化剂异质结的方法

说明书

本发明属于材料领域，具体涉及一种原位异质结光催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的钨系异质结型光催化剂，是一种核壳结构，内层与外层为不同结构钨系半导体氧化物。本发明通过掺杂离子在晶格内的扩散，在掺杂离子的诱导下可控调节了壳层结构，得到不同“结”结构的钨系异质结光催化剂，实现了对光生电子‑空穴传输、分离效率，能带结构的优化，从而显著提高材料的光催化性能。实施例结果表明，本发明提供的异相结光催化剂用于光催化分解水时，氧气生成量能达到210μmol/h/g，本发明提供的异相结光催化剂用于降解偶氮大分子罗丹明B时，60min降解100mg/L高浓度RhB的降解率达到93％,180min降解10mg/L甲醛降解率达到89％。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种原位掺杂诱导制备钨系光催化剂异质结的方法，具体是一种通过掺杂离子在氧化钨孔道中的扩散，简单调控内外壳层晶相组成及催化剂的表面结构，制备不同异质结的制备方法，从而调控钨系光催化剂异质结的光催化性能和应用。

背景技术

在过去几十年中，科学技术的迅猛发展为人类生活带来了日新月异的变化。但是，由于人类过度依靠于石油、煤炭、天然气等正在迅速枯竭的化石燃料类物质，同时，化石燃料的使用已经给环境带来严重污染，使人类对新型能源开发和对环境问题的有效治理已刻不容缓。在对各种新型能源的探索中发现，将太阳能直接转化成为化学能源被认为是一种解决未来能源危机和环境污染的有效途径之一。到目前为止，以半导体为基础的光催化技术可以利用取之不尽的清洁能源太阳能在近些年受到世界各国科研人员的广泛关注。当有适当的半导体材料存在时，以太阳光作为驱动力的光催化技术能够进行许多催化反应，如分解水制氢气和氧气，二氧化碳还原制甲醇等碳氢燃料，降解有机污染物，医药中间体的选择性有机合成等。

光催化技术与其它太阳能利用技术不同的是，它是一个多步骤反应，其中包括光催化剂吸收光子、光生载流子分离和传输、表面反应，每一个步骤的效率都会极大的影响光催化剂的最终的催化效果，相应的吸收效率、分离和传输效率、表面反应效率也是提高催化剂催化效果的关键。因此，针对各个步骤的研究方法也应运而生：(1)为了提高催化剂的吸收效率，对催化剂进行掺杂改性，或利用贵金属材料的等离激元效应制造亚能级等；(2)为了提高催化剂的分离、传输效率，利用量子点效应，壳层传输、内建电场驱动的载流子分离(包括异质结、p-n结等)。其中，调控光生载流子的分离和传输效率被认为是能够有效提升催化性能的最为有效的手段。尽管上述的效率提高策略已经得到了广泛的采用，光催化剂的性能也得到了很大的提升，但是提升的效果并不显著，且存在许多的技术瓶颈。比如“结”结构普遍存在载流子能量降低、载流子界面传输能垒过高、“结”结构结合不稳定容易分离等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺杂诱导制备钨系光催化剂异质结的方法和应用，本发明提供的钨系光催化剂结合了碱(土)金属掺杂技术、原位异质结合成技术，提高了光催化剂对光的吸收效率的同时，极大的提高了载流子在界面的传输效率，基于碱(土)金属化合物表面较低的过电位极大的弥补了异质结结构载流子能量降低的缺陷，提升了载流子的吸收、分离、传输、界面反应效率，实现了高催化活性可见光催化剂的合成和应用。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明掺杂诱导制备钨系光催化剂异质结的方法，包括：将碱金属离子(碱土金属离子)掺杂到氧化钨的晶体孔道结构中，然后在温度的驱动下，掺杂离子发生迁移并诱导表面发生相变，生成具有核壳异质结构的钨系光催化剂。

优选的，所述碱金属离子包括Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺、Mg²⁺、Ca²⁺；

优选的，所述碱金属与钨的原子比为0.01～0.2％；

优选的，所述热扩散温度为300～800℃，热处理的时间为2～48h；