[发明专利]一种富含氧空位的溴氧铋超薄纳米片光致变色材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种富含氧空位的溴氧铋超薄纳米片光致变色材料及其制备方法与应用。所述的溴氧铋超薄纳米片光致变色材料的结构式为BiOBr，表面修饰有聚乙烯吡咯烷酮和甘露醇，其制备方法，包括步骤如下：将铋源、聚乙烯吡咯烷酮和甘露醇加入水中，搅拌混匀后加入含有溴源的水溶液，将所得混合溶液进行水热反应，之后经洗涤、干燥，即得。本发明制备的富含氧空位的溴氧铋超薄纳米片光致变色材料具有粒径小、厚度薄、不易团聚、稳定性好、纯度高等特点，并且具有机械强度高、合成成本低且无副产物、无污染、热稳定性与化学稳定性高、适合大批量生产等优点，可以广泛应用于可擦重写介质、光致变色涂料、丝网印刷等领域，具有很高的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种富含氧空位的溴氧铋超薄纳米片光致变色材料及其制备方法与应用，属于智能材料技术领域。

背景技术

可逆颜色转换材料(PCSMs)由于在可擦重写纸、智能窗和防伪中的应用，逐渐引起人们的关注，尤其是具有光可逆颜色转换特性的光致变色材料的发展得到了人们的极大关注。然而，有机光致变色材料存在合成复杂且副产物多，在紫外线(UV)照射会发生光降解等问题，是其实际应用的严重障碍。而无机光致变色材料在热稳定性、化学稳定性和成本方面优于有机光致变色材料，近年来得到了发展，比如二氧化钛(TiO₂)、三氧化钼(MoO₃)、三氧化钨(WO₃)等。然而，目前所报道的无机光致变色材料存在电荷分离和转移效率低、空穴清除能力差等问题，严重限制了它们的光还原活性。具有优异的光可逆颜色转换性能的无机可逆颜色转换材料仍然难以实现，对于无机可逆颜色转换材料的颜色切换机制的理解也很缺乏，这严重限制了它们的应用。

二维(2D)超薄纳米材料近来备受关注，并在光催化领域得到了广泛的研究，因为与体块材料相比，二维结构大大减小了厚度，有效地缩短了载流子扩散距离，从而使电荷分离和转移速度更快，极大地抑制了光生电子和空穴的复合。二维超薄纳米材料的独特功能为设计新型无机可逆颜色转换材料带来了广阔的前景。此外，半导体纳米粒子中氧空位的存在还可以作为电荷分离中心来抑制电子-空穴的复合速率，提高电荷分离效率。因此，探索具有大量氧空位的二维超薄纳米材料提供了一种满足快速颜色转换速率和长可逆循环性无机可逆颜色转换材料需求的方法。

卤氧化铋(BiOX，X＝Cl，Br，I)是一种三元半导体材料，由于其沿Z轴的[Bi₂O₂]²⁺呈各向异性层状结构，易于形成超薄甚至单层的纳米片。正如之前的研究所证明的，当卤氧化铋纳米片的厚度降低到原子水平时，其表面氧原子可以从晶格中分离出来，从而在纳米片中产生氧空位。结合二维超薄结构和氧空位的优势，卤氧化铋纳米片表现出显着增强的电荷分离和转移效率，并确保了在固氮，二氧化碳还原和水分解中有效的光催化活性。然而，关于开发用于高效无机可逆颜色转换材料的卤氧化铋纳米片的研究却几乎没有。

一般认为，卤氧化铋基材料中氧空位的存在会引起间接的子带激发，从而改变其光学性质(Ye,L.；Zan,L.；Tian,L.；Peng,T.；Zhang,J.The{001}FacetsDependent HighPhotoactivity of BiOCl Nanosheets.Chem.Commun.2011,47,6951-6953)。然而人们对于其光致变色的研究却几乎没有，只有少数与有机染料结合的实例(Yang,Z.；Wang,D.；Zhang,Y.；Feng,Z.；Liu,L.；Wang,W.PhotoreductiveBiOCl Ultrathin Nanosheets forHighly Efficient Photocatalytic Color Switching.ACS Appl.Mater.Interfaces2020,12,8604-8613)，对于其自身变色能力的研究非常有限。