一种NiO负载Bi3O4Br纳米片复合光催化剂的制备方法及应用

本发明一种nio负载bi3o4br纳米片复合光催化剂的制备方法及其应用。

背景技术：

1、全球能源消耗在过去几十年间呈现出不断增长的趋势，但石油和煤炭等传统燃料的使用也带来了多种环境问题，其中温室气体的过量排放引发了冰川融化、生态失衡等一系列环境问题。二氧化碳(co2)是一种最为常见的温室气体，将其转化为具有高附加值的化学品是co2利用的有效方式，对抵消难减排的co2和其他温室气体排放方面具有重大意义。由于co2化学分子非常稳定，其活化与还原需要克服较大的能垒，因此对催化方式与催化剂的选择存在较高的要求。

2、光催化co2还原(co2pr)具有催化效率较高、反应条件温和等优点，在co2还原领域表现出巨大的应用潜力。卤氧化铋(biox，x＝cl，br，i)具有独特的层状结构，{x-bi-o-bi-x}纳米层通过非键合相互作用堆叠，纳米层间的空间较大，可以诱发内部电场，有利于光生电荷的分离与迁移。在三类卤氧化铋材料中，(biocl，biobr和bioi)，biobr具有适中的带隙，可实现对可见光的有效利用，且不会由于带隙过窄而提高光生电子-空穴对的复合概率。但biobr在co2pr中的应用仍受到一些限制，比如：稳定性较差、产物甲烷(ch4)的选择性较低等，且由于biox的导带最小值(cbm)较正，使得其催化还原活性较低，因此需采取合适的改性策略。

3、对此，本发明提供了一种氧化镍负载的bi3o4br的制备方法，通过调整混合溶液的酸碱性、水热温度与时间，合成了一种富铋型溴氧化铋(bi3o4br)，一方面缩小了带隙，扩大了光谱利用范围；另一方面，根据已有的报道指明，cbm的位置主要由biox的bi 6p轨道决定，富铋策略可以有效改善biox光催化剂的cbm位置。此外，通过浸渍与煅烧结合的方法，引入了氧化镍，与bi3o4br形成z型异质结，有利于光生电荷的转移，对载流子的分离与转移起到积极作用。纳米片形貌则明显增加了催化剂的比表面积，可以促进可见光的利用以及co2的吸附。与原始体相bi3o4br相比，氧化镍负载的bi3o4br纳米片形成了异质结结构，表现出明显提升的co2还原效率与产物选择性，该发明为co2转化利用提供了新的见解。

技术实现思路

1、本发明提供了一种氧化镍负载bi3o4br纳米片的制备方法，采用五水合硝酸铋为前驱体，通过聚乙烯吡咯烷酮自组装法在水热条件下制备了溴氧化铋纳米片；之后以六水合硝酸镍为镍源，通过浸渍与煅烧结合的方法制备了氧化镍负载的bi3o4br纳米片。在氧化镍的最佳负载量条件下，这一催化体系实现了co2还原的高效光催化效果，在4小时光照下，甲烷(ch4)产量达到了8.45μmol/g，ch4选择性高达94.69％，该催化体系在16h的延长反应中仍表现出持续的产物生产量，具有良好的稳定性。具体方案如下：

2、一种nio负载bi3o4br纳米片的制备方法，其中包括：

3、1)将一定量的聚乙烯吡咯烷酮与五水合硝酸铋分散至甘露醇溶液中，将一定质量的溴化钠溶解于水中，按照bi：br为3：1的摩尔比将两种溶液缓慢混合；调节所得乳白色溶液的ph为10.5-11.5；将所得溶液转移至水热釜中，将水热釜置于烘箱内以加热至140-160℃，保温12-24h，待其自然降至室温后，将所得样品依次醇洗和水洗若干次，烘干，得到富铋型溴氧化铋bi3o4br纳米片；

4、2)将上述过程制备得到的bi3o4br纳米片浸渍于一定量的六水合硝酸镍的水溶液中，磁力搅拌一段时间后烘干，于马弗炉中以预定温度煅烧预定时间，得到nio负载bi3o4br纳米片。

5、进一步的，称量0.4g聚乙烯吡咯烷酮、0.49g五水合硝酸铋溶解于30ml 0.1mol/l的甘露醇溶液中，称取0.1029g溴化钠溶解于10ml水中，将两种溶液缓慢混合。

6、进一步的，使用2mol/l的naoh调节乳白色溶液ph为11.5。

7、进一步的，将水热釜在160℃烘箱里加热24h。

8、进一步的，其中在nio负载bi3o4br纳米片中，以bi3o4br纳米片为基准100％，nio的负载量为10-30wt％。

9、进一步的，于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至400℃保持3h。

10、一种光催化还原二氧化碳的方法，其特征在于，称取预定质量所述制备方法得到的nio负载bi3o4br纳米片，超声分散于去离子水中，滴加于玻璃纤维膜，在光催化反应器中通入二氧化碳，加入适量去离子水，黑暗条件下二氧化碳吸附于催化剂表面，然后开灯照射，实现二氧化碳转化。

11、进一步的，称取20mgnio负载bi3o4br纳米片于烧杯中，超声分散于2ml去离子水，滴加于玻璃纤维滤膜表面，置于密封玻璃反应器内，通入95kpa的二氧化碳，二氧化碳在催化剂表面暗吸附30min，打开300w氙灯照射，每小时取样分析气体产物

12、本发明具有如下有益效果：

13、1)相比于体相bi3o4br，本发明采用聚乙烯吡咯烷酮自组装技术得到的特定纳米片结构大大提高了催化体系的比表面积，为co2光催化还原反应提供了更多的活性位点，从而提高对可见光的利用率及co2的吸附性能。

14、2)通过浸渍与煅烧结合的方法，将氧化镍(nio)负载到bi3o4br纳米片上，引入了额外的活性位点，极大提升了产物ch4的产量与选择性。

15、3)nio与bi3o4br纳米片间形成异质结结构，极大促进了光生电荷的分离与迁移，带隙明显减少，扩大了光谱利用范围。

技术特征：

1.一种nio负载bi3o4br纳米片的制备方法，其中包括：

2.如上述权利要求1所述的制备方法，称量0.4g聚乙烯吡咯烷酮、0.49g五水合硝酸铋溶解于30ml 0.1mol/l的甘露醇溶液中，称取0.1029g溴化钠溶解于10ml水中，将两种溶液缓慢混合。

3.如上述权利要求2所述的制备方法，使用2mol/l的naoh调节乳白色溶液ph为11.5。

4.如上述权利要求1所述的制备方法，将水热釜在160℃烘箱里加热24h。

5.如上述权利要求1所述的制备方法，其中在nio负载bi3o4br纳米片中，以bi3o4br纳米片为基准100％，nio的负载量为10-30wt％。

6.如上述权利要求1所述的制备方法，于马弗炉中以5℃/min的升温速率升温至400℃保持3h。

7.一种光催化还原二氧化碳的方法，其特征在于，称取预定质量权利要求1-6任一项所述制备方法得到的nio负载bi3o4br纳米片，超声分散于去离子水中，滴加于玻璃纤维膜，在光催化反应器中通入二氧化碳，加入适量去离子水，黑暗条件下二氧化碳吸附于催化剂表面，然后开灯照射，实现二氧化碳转化。

8.如权利要求7所述的方法，称取20mg nio负载bi3o4br纳米片于烧杯中，超声分散于2ml去离子水，滴加于玻璃纤维滤膜表面，置于密封玻璃反应器内，通入95kpa的二氧化碳，二氧化碳在催化剂表面暗吸附30min，打开300w氙灯照射，每小时取样分析气体产物。

技术总结
本发明提供了一种NiO负载Bi<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;Br纳米片的制备方法，采用特定的聚乙烯吡咯烷酮自组装法通过水热反应制备了Bi<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;Br纳米片，通过浸渍‑煅烧两步法将氧化镍负载于Bi<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;Br表面。通过一系列表征手段证明了该复合材料的成功制备，其表现出优异的光催化二氧化碳(CO<subgt;2</subgt;)还原效能，这归功于溴氧化铋纳米片的形态增加了催化剂比表面积，富铋策略提升了产物甲烷的选择性，以及氧化镍负载引入了额外的反应活性位点。该催化体系在16小时的延长反应中仍表现良好，具有高效、稳定等优点。NiO负载Bi<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;Br纳米片催化体系表现出优异的光催化还原CO<subgt;2</subgt;性能。

技术研发人员：周易,周彦波,贺怡灵,瞿毅豪,张翊博,李邦辉,毕婧捷,蒙尉丹,李彦盼,蒋文瀚
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25