一种铋基半导体异质结光催化剂及其制备方法

本发明涉及纳米材料、光催化以及光电子领域，特别涉及一种新型铋基半导体异质结光催化剂的制备方法。

背景技术：

1、随着人类社会的发展，二氧化碳的过度排放和化石燃料的使用导致了严重的环境问题和能源危机，因此全球的科研工作者们都在致力于研究如何高效地开发利用可再生能源和绿色能源，尤其是太阳能。其中，采用光催化手段将二氧化碳转化为可再生碳氢燃料并利用太阳能实现碳资源循环的绿色有效的技术受到人们的广泛关注。但是，常见的光催化材料如tio2，由于宽带隙(3.2ev)和对可见光的利用率低等缺点，其在光催化领域的应用受到了限制。

2、近几十年来，人们发现铋基材料(包括铋氧化物、铋硫化物、铋基卤氧化物、铋金属氧化物)表现出独特的电子结构、可调控的带隙宽度和优异的催化性能，成为了光催化领域的热门材料。然而，在制备过程中，不能地对这些材料的晶相、形貌尺寸和结构稳定性进行很好的控制，因此这些材料普遍面临光生电子-空穴复合率高的问题，导致其光电转化效率较低。其次，部分铋基半导体对可见光波段的太阳光吸收的能力仍然有限，光吸收范围有待进一步扩展。尽管人们已经尝试了多种制备方法，比如固相反应法和水热/溶剂热法，但这些方法制备出的铋基材料具有尺寸大、形貌不规则、比表面小和晶体结构组成不纯等缺点，不能满足光催化领域对材料带隙调控和太阳能利用率的需求。此外，在工业领域，如何简单、大规模和高产率地制备具有优异的光电性能的铋基半导体仍是一大阻碍。

3、为了解决这些问题，本发明将金属离子掺杂、形貌调控和异质结构构建等改性方法应用于铋基半导体异质结的研究中，从而优化能带结构，增强光吸收能力和改善载流子分离效率等，以此来提高光电性能和光电转化效率。

技术实现思路

1、技术问题：针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种铋基半导体异质结光催化剂及其制备方法，解决了铋基材料形貌、光电性能以及光催化特性难以系统性调控的问题。

2、技术方案：一种由铋基半导体组成的异质结光催化剂，由铋基氧化物bixmoy和三氧化二铋(bi2o3)载体组成,其中m为过渡金属，x为0.5～2，y为1～8，各组分质量分数为：5～50％的bixmoy、50～95％的bi2o3。

3、所述的过渡金属为钒、铬、锰、铁、钴、镍、铋中的任一种。

4、所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

5、步骤1.将bi2o3载体在空气气氛中加热煅烧处理；

6、步骤2.将活性组分前驱体进行混合：将铋盐和过渡金属盐溶解在少量溶剂中，混合加热溶解；

7、步骤3.将步骤2的活性组分前驱体混合物与步骤1处理过的bi2o3载体进行混合，并搅拌均匀；

8、步骤4.将步骤3得到的混合物在真空干燥箱中干燥后，通入氢气与氩气的混合气体在加热条件下进行还原反应，然后通入氧气与氩气的混合气体在加热条件下氧化反应，从而得到由bixmoy和bi2o3载体组成的铋基半导体异质结光催化剂。

9、步骤2)中所述的过渡金属盐为偏钒酸铵、硝酸铬、氯化铬、醋酸铬、硝酸锰、氯化锰、醋酸锰、硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、硝酸钴、氯化钴、醋酸钴、硝酸镍、氯化镍、醋酸镍、硝酸铋、氯化铋、醋酸铋。

10、步骤2)中所述的溶剂为水、乙醇、浓度为0.1-4mol/l的硝酸水溶液、浓度为0.1-4mol/l的盐酸水溶液、乙二醇中的任一种。

11、步骤4中的还原和氧化反应均是在100～700℃下反应1～24h。

12、步骤4所述的氢气浓度为在氩气中占为2％～100％的体积分数，氧气浓度为在氩气中占为2％～100％的体积分数。

13、步骤1中的煅烧温度为200～600℃，2～8h。

14、步骤2中铋盐和过渡金属盐的摩尔比为0.5～2。

15、步骤2混合加热的温度为30～90℃。

16、有益效果：

17、1.本发明所述的铋基半导体异质结制备方法中的设备简单、制备步骤简单、重复性好、原料廉价、可大规模生产。

18、2.本发明所得到的铋基半导体异质结实现了高可见光吸收率、宽光谱响应、高载流子迁移率和高co2光催化还原效率。

技术特征：

1.一种由铋基半导体组成的异质结光催化剂，其特征在于，由铋基氧化物bixmoy和三氧化二铋(bi2o3)载体组成,其中m为过渡金属，x为0.5～2，y为1～8，各组分质量分数为：5～50％的bixmoy、50～95％的bi2o3。

2.如权利要求1所述的铋基半导体异质结光催化剂，其特征在于，所述的过渡金属为钒、铬、锰、铁、钴、镍、铋中的任一种。

3.权利要求1或2所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的过渡金属盐为偏钒酸铵、硝酸铬、氯化铬、醋酸铬、硝酸锰、氯化锰、醋酸锰、硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、硝酸钴、氯化钴、醋酸钴、硝酸镍、氯化镍、醋酸镍、硝酸铋、氯化铋、醋酸铋。

5.如权利要求3所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的溶剂为水、乙醇、浓度为0.1-4mol/l的硝酸水溶液、浓度为0.1-4mol/l的盐酸水溶液、乙二醇中的任一种。

6.如权利要求3所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤4中的还原和氧化反应均是在100～700℃下反应1～24h。

7.如权利要求3所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，其特征在于步骤4所述的氢气浓度为在氩气中占为2％～100％的体积分数，氧气浓度为在氩气中占为2％～100％的体积分数。

8.如权利要求3所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中的煅烧温度为200～600℃，2～8h。

9.如权利要求3所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2中铋盐和过渡金属盐的摩尔比为0.5～2。

10.如权利要求3所述的铋基半导体异质结光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2混合加热的温度为30～90℃。

技术总结
本发明属于光催化剂制备技术领域，公开了一种铋基半导体异质结光催化剂的制备方法。所述的催化剂含有以下质量分数的组分：活性组分5‑50％、氧化物载体50‑95％；其中所述活性组分包含不同比例的铋基金属氧化物(BixMOy,M为过渡金属)；所述载体为三氧化二铋(Bi2O3)。本发明所获得BixMOy/Bi2O3异质结光催化剂表现出独特的电子结构，具有宽光谱响应、高效载流子分离效率和制备方法简单等特点，并且在二氧化碳还原等光催化方面展现了优异的选择性、稳定性以及太阳能转化效率，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：宋元军,张彤,刘禹泽,夏鹏
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15