[发明专利]一种含光控氧空位BiOBr光催化剂的合成及应用方法

说明书

一种含光控氧空位BiOBr光催化剂的合成及应用方法，属于纳米材料技术领域，可解决现有含氧空位（OVs）BiOBr光催化剂的稳定性差的缺点，本发明以五水硝酸铋和溴酸钠为原料，调节反应温度，利用一步水解法制得含光控氧空位的BiOBr材料。即在光照条件下，催化剂可脱除氧原子产生氧空位，而当光源移除后，催化剂会吸附水或空气中的氧原子，使得氧空位复原，当再次光照时，氧空位再次产生，以解决氧空位易失活及反应效率不高的问题，为设计高效稳定的合成氨光催化剂提供了新的研究思路。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种含光控氧空位BiOBr光催化剂的合成及应用方法，可用于光催化还原氮气合成氨。

背景技术

氨作为人类生产生活所必需的化学物质和能源载体，需求巨大。目前工业上常用的氨合成反应是传统的Haber-Bosch法，即利用氮气与氢气合成氨，但此技术需要高温高压的条件（15-25 MPa，300-550℃），此过程每年消耗世界能源供应的1%～2%，并产生相当于2.3吨化石燃料燃烧的二氧化碳。在全球化石燃料短缺和气候变暖两大难题日益严峻的时代，寻找廉价、高效、绿色节能的合成氨技术具有重要意义。

将合成氨反应的氢源由H₂换为H₂O，在常温常压下与N₂直接反应生成NH₃是合成氨之新途径。迄今为止，已经出现了生物固氮、电催化、光电催化以及光催化等研究方向，其中以太阳光为驱动力的光催化合成氨，无需有机溶剂及电能、热能的消耗，是一种可持续的绿色工艺，具有良好的发展前景。

在众多代表性光催化剂中，含氧空位（OVs）的BiOBr光催化剂，因其独特的开放式层状结构、间接跃迁模式、优异的光响应能力以及自身氧空位对氮气分子的吸附与活化作用和对载流子复合的抑制作用，而被广泛应用于光催化固氮领域。如张礼知教授团队利用水热法合成了BiOBr-OVs光催化剂，氧空位的存在使氨合成速率高达223.3 μmol·h^-1·g^-1（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 6393−6399）；Xue等人合成了含氧空位的BiOBr，其在模拟太阳光照射下，氨合成速率达到54.7 μmol·h^-1·g^-1，速率比不含氧空位的BiOBr高达十倍（Nano Lett. 2018, 18, 7372−7377）。

然而，由于氧空位置于空气中时易于被氧化，故此类催化剂普遍存在易失活、稳定性较差的问题（Environ. Sci.: Nano.2014, 1, 90），故在半导体材料上创造丰富且稳定可持续的氧空位至关重要（Adv. Mater. 2017, 29, 1701774）。据报道，含氧催化剂在紫外光的照射下会脱除氧原子进而形成氧空位（Nanoscale. 2014, 6, 8473），同时形成的氧空位在光源移除后会吸收水或空气中的氧原子，恢复原来的组成，从而实现氧空位的循环使用和高效率固氮。

发明内容

本发明针对现有含氧空位（OVs）BiOBr光催化剂的稳定性差的缺点，提供一种含光控氧空位的BiOBr材料的合成及应用方法，其目的是提供一种简单经济环保的水解法，以制备出一种性能较强、组成单一的新型光催化剂，从而达到对太阳能的充分有效利用以及人工光催化还原氮气合成氨之功效。

本发明拟设计一种简单经济环保的方法制备出含光控氧空位的BiOBr纳米材料用于光催化固氮反应，即在光照条件下，催化剂可脱除氧原子产生氧空位，而当光源移除后，催化剂会吸附水或空气中的氧原子，使得氧空位复原，当再次光照时，氧空位再次产生，以解决氧空位易失活及反应效率不高的问题，为设计高效稳定的合成氨光催化剂提供了新的研究思路。