一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂及制备方法与应用

本发明涉及压电催化制氢，具体涉及一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂及制备方法与应用。

背景技术：

1、氢能热值高，燃烧产物无污染，被认为是最具有发展潜力的清洁能源。当前，90％以上的氢气是通过化石能源重整获得的，过程中有大量碳排放，不符合可持续发展理念。近年来，基于可再生能源的绿氢技术引发了大量关注，并认为是未来氢能制取的终极方式。在众多绿氢技术中，压电催化技术利用压电材料的正压电效应捕获自然界中普遍存在的机械能，并将其作为驱动力诱发水分解制氢，是各国研究和发展的热点。当前，高性能压电催化剂的创制是压电催化水分解制氢技术应用的关键。

2、近来，铋系层状材料溴氧化铋已经在压电催化应用方面表现出了巨大潜力。溴氧化铋具有优异的压电性质，且其特殊的片状结构可以很好的捕获机械能，因而在压电催化应用中更具性能优势。但是，溴氧化铋层状结构中相邻的溴原子层通过弱范德华力相互堆叠，导致稳定性较差；并且，材料中自由电荷易复合，分离效率低，严重影响其催化性能。对此，构建高效的、可靠的异质结可以增强其稳定性，促进载流子分离，是提升压电催化性能的一种有效方法。

3、通过常规方法(静电自组装、机械混合、水热复合等)制备的异质结，普遍存在分散性差、易团聚、均匀性不高等问题；其次，电荷在异质结间迁移容易在界面处晶格失配下发生散射，导致迁移效率不高；再者，异质结中材料之间多通过范德华力结合，在应力应变条件下的稳定性尚不确定；此外，采用常规方法所制备的异质结中材料原来形貌很难保持。受限于这些因素，通过常规方法制备的异质结催化效率远未达到预期。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中所存在的上述问题提供了一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂及制备方法与应用。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂及制备方法，其特征在于，

4、将溴氧化铋基体、二水钨酸钠、去离子水，混合，超声分散均匀，得到分散液；

5、将分散液置于反应釜中，进行阴离子交换反应，将产物用去离子水洗涤，干燥，得到钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂。

6、进一步地，溴氧化铋基体的浓度为5-10mmol/l，钨酸钠的浓度0.1-0.5mmol/l。

7、进一步地，反应温度为120-150℃，反应时间12-24h。

8、进一步地，所述溴氧化铋基体的制备方法：取五水硝酸铋、溴化钾、去离子水，混合、搅拌均匀，得到前驱体溶液，将前驱体溶液置于反应釜中进行水热反应，将产物用去离子水洗涤，干燥，得到溴氧化铋基体。

9、其中，硝酸铋溶液的浓度为0.01-0.05mol/l；硝酸铋与溴化钾的摩尔比为1:1。

10、进一步地，水热反应温度为120-180℃，水热反应的反应时间3-6h。

11、另一方面，本发明提供一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂，其特征在于，由上述的制备方法制得。

12、再一方面，本发明提供一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂的应用，其特征在于，用于压电催化水分解制取氢气。

13、本发明创造性地在溴氧化铋片状基体表面，通过阴离子交换法，将基体表面的br-层替换成wo42-层，在基体表面外延生长出钨酸铋壳层，以制得钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂。本发明的有益效果是：外延生长出的钨酸铋壳层与溴氧化铋基体之间依靠化学键链接，稳定性优异；该异质结构可以规避材料之间晶格失配造成的电子散射，提高迁移和分离效率，并且其很好地保持了基体片状结构特征，可以有效地捕获机械能，应用于压电催化水分解产氢，其催化产氢性能明显优于单相的溴氧化铋材料和钨酸铋材料。本发明所制备的异质结具有优异的分散性和均匀性，制备成本低，制备过程不涉及有机溶剂和添加剂，绿色环保，所制备的催化剂性能优良，应用前景广阔。

技术特征：

1.一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂的制备方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂的制备方法，其特征在于，溴氧化铋基体的浓度为5-10mmol/l，钨酸钠的浓度为0.1-0.5mol/l。

3.根据权利要求1所述的一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂的制备方法，其特征在于，反应温度为120-150℃，反应时间12-24h。

4.根据权利要求1所述的一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂的制备方法，其特征在于，所述溴氧化铋基体的制备方法：将五水硝酸铋、溴化钾、去离子水，混合，搅拌，得前驱体溶液；将前驱体溶液置于反应釜中进行水热反应，将产物用去离子水洗涤，干燥，得到溴氧化铋基体。

5.根据权利要求4所述的一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂的制备方法，其特征在于，硝酸铋溶液的浓度为0.01-0.05mol/l；硝酸铋与溴化钾的摩尔比为1:1。

6.根据权利要求4所述的一种外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂的制备方法，其特征在于，水热反应温度为120-180℃，水热反应时间3-6h。

7.外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述的制备方法制得。

8.如权利要求7所述的外延生长钨酸铋-溴氧化铋异质结压电催化剂的应用，其特征在于，用于压电催化水分解制氢。

技术总结
本发明涉及压电催化制氢技术领域，具体涉及一种外延生长钨酸铋‑溴氧化铋异质结压电催化剂及制备方法与应用。将溴氧化铋、二水钨酸钠、去离子水，混合，超声分散均匀，得到分散液；将分散液置于反应釜中，进行阴离子交换反应，将反应产物用去离子水洗涤，干燥，得到钨酸铋‑溴氧化铋异质结压电催化剂，并将其应用于压电催化水分解制氢。本发明通过阴离子交换反应，在溴氧化铋基体表面外延生长出钨酸铋壳层，壳层与基体之间依靠化学键链接可提高电子迁移和分离效率，且保持了基体的片状形貌特征，能有效地捕获机械能，显著增强压电催化水分解产氢性能。本发明中制备过程不涉及有机溶剂或添加剂，绿色环保，所制备的异质结具有优异的分散性和均匀性，产氢性能优良，应用前景广阔。

技术研发人员：刘代明,谭力宁,王飞
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15