一种具有同质晶面结的溴氧铋高效光催化剂的制备方法
阅读说明：本技术 一种具有同质晶面结的溴氧铋高效光催化剂的制备方法 (Preparation method of bismuth oxybromide efficient photocatalyst with homogenous crystal face junction ) 是由 季梦夏 李华明 夏杰祥 狄俊 尹盛 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于催化剂领域,具体涉及一种具有同质晶面结的溴氧铋高效光催化剂的制备方法。本催化剂通过溶剂热法合成,以五水硝酸铋为铋源,均三溴苄为溴源,制备得到具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋光催化剂。相比于侧面只暴露(110)或者(120)晶面的溴氧铋材料,该具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋材料表现出更高的光催化还原二氧化碳的性能。该合成方法操作简单,可重复性高,清洁环保。(The invention belongs to the field of catalysts, and particularly relates to a preparation method of a bismuth oxybromide efficient photocatalyst with a homogeneous crystal face junction. The catalyst is synthesized by a solvothermal method, bismuth nitrate pentahydrate is used as a bismuth source, and sym-tribromobenzyl is used as a bromine source, so that the bismuth oxybromide photocatalyst with a (110)/(120) homogeneous crystal face structure is prepared. Compared with a bismuth oxybromide material with only (110) or (120) crystal planes exposed on the side surface, the bismuth oxybromide material with the (110)/(120) homogeneous crystal plane junction has higher performance of photocatalytic reduction of carbon dioxide. The synthetic method is simple to operate, high in repeatability, clean and environment-friendly.)
技术领域
本发明属于光催化材料制备领域，具体涉及一种具有同质晶面结的溴氧铋光催化剂的制备方法。
背景技术
自2000年开始，化石燃料的过度使用导致全球二氧化碳排放量迅速增加，在2019年再次创下历史新高。二氧化碳排放量的逐年增加引起全球气候反常，加快极地冰山融化。因此，减缓对化石燃料的过分依赖，优化能源结构，开发新型可再生清洁能源迫在眉睫。利用人工光合成技术将二氧化碳转化为高附加值的碳基燃料，不仅能够减缓“温室效应”，还为新型能源的多元化提供新途径，从而形成良好的“碳循环”。
溴氧铋材料为一类新型的可见光响应型光催化剂，层间开放式的结构特征赋予了溴氧铋材料高度的可调性，近年来在光化学环境修复和能源转化领域表现突出。目前，在光催化反应过程中，光生电荷的分离与传输速率是制约溴氧铋材料光催化性能的关键因素。考虑到不同晶面间存在能级差，通过表面原子重排构建晶面同质结，进而诱导光生电子-空穴对的原位高效分离，将显著改善溴氧铋材料中光生载流子重组率高这一不足，最终实现溴氧铋材料高选择性、高效率光催化还原二氧化碳制一氧化碳。目前，还没有相关的报道。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种具有同质晶面结的溴氧铋可见光光催化剂的制备方法，用以缓解“温室效应”，同时为新能源的开发提供新途径。
本发明的技术方案：
一种具有同质晶面结的溴氧铋高效光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)取适量均三溴苄和油胺加入到甘露醇水溶液中，并在室温条件下持续搅拌，得到混合溶液A；
(2)取适量五水硝酸铋加入到步骤(1)所得的混合溶液A中，并在室温条件下持续搅拌,得到混合溶液B；
(3)将步骤(2)得到的混合溶液B倒入配有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加热反应；
(4)将步骤(3)得到的产物离心，再用去离子水和无水乙醇分别洗数次，干燥，得到具有同质晶面结的溴氧铋光催化剂。
步骤(1)中，所述混合溶液A中，溴的含量为0.01-0.1mol/L，油胺的含量为0.01-0.05mol/L，甘露醇水溶液的浓度为0.01-0.15mol/L。
步骤(2)中，所述混合溶液B中，铋的含量为0.002-0.008mol/L。
步骤(2)中，所述室温搅拌的时间为5-60分钟。
步骤(3)中，所述反应温度为80-150℃，反应时间为5-24h。
步骤(4)中，所述干燥温度为60℃，干燥时间为10-20h。
本发明得到的一种具有同质晶面结的溴氧铋可见光响应光催化剂，为纳米片状，纳米片厚度为1.2nm。
本发明所得的具有同质晶面结的溴氧铋光催化剂用于光催化还原二氧化碳制一氧化碳的用途。
本发明的有益效果为：
与现有技术相比，在不加牺牲剂和光敏剂的条件下，具有同质晶面结的溴氧铋材料能在室温环境下实现光催化转化二氧化碳为一氧化碳，对产物一氧化碳的选择性达到100％，同时在400nm的单波长光照射下的表观量子效率达到1.03％，为工业化生产乙醇等清洁燃料提供新路径。
附图说明
图1为具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋和只暴露(110)或者(120)晶面的溴氧铋材料的XRD图。
图2是具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋材料的TEM、HRTEM以及AFM厚度图。
图3是只暴露(110)或者(120)晶面的溴氧铋材料的TEM和HRTEM图。
图4是氙灯照射下具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋和只暴露(110)或者(120)晶面的溴氧铋材料光催化二氧化碳还原制一氧化碳的活性图。
图5是不同的单波长光照射下具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋光催化二氧化碳还原制一氧化碳的产率图以及对应的紫外可见漫反射光谱图。
具体实施方式
实施例1
采用均三溴苄为原料，油胺为缓释剂，分散在0.01-0.05L甘露醇溶液中，其中溴的含量为0.01-0.1mol/L，油胺的含量为0.01-0.05mol/L，甘露醇水溶液的浓度为0.01-0.15mol/L，随后以五水硝酸铋为原料加入至上述溶液中，其中铋的含量为0.002-0.008mol/L，在室温条件下持续搅拌，其中室温搅拌的时间为5-60分钟，将以上混合溶液倒入配有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加热反应，反应温度为80-150℃，反应时间为5-24h。将得到的产物离心，再用去离子水和无水乙醇分别洗数次，60℃下烘干，干燥时间为10-20h。
实施例2
采用均三溴苄为原料，油胺为缓释剂，分散在0.01L甘露醇溶液中，其中溴的含量为0.02mol/L，油胺的含量为0.02/L，甘露醇水溶液的浓度为0.01mol/L，随后以五水硝酸铋为原料加入至上述溶液中，其中铋的含量为0.002mol/L，在室温条件下持续搅拌，其中室温搅拌的时间为10分钟，将以上混合溶液倒入配有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加热反应，反应温度为80℃，反应时间为10h。将得到的产物离心，再用去离子水和无水乙醇分别洗数次，60℃下烘干，干燥时间为10h。
实施例3
采用均三溴苄为原料，油胺为缓释剂，分散在0.02L甘露醇溶液中，其中溴的含量为0.02mol/L，油胺的含量为0.04mol/L，甘露醇水溶液的浓度为0.01mol/L，随后以五水硝酸铋为原料加入至上述溶液中，其中铋的含量为0.004mol/L，在室温条件下持续搅拌，其中室温搅拌的时间为30分钟，将以上混合溶液倒入配有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加热反应，反应温度为100℃，反应时间为10h。将得到的产物离心，再用去离子水和无水乙醇分别洗数次，60℃下烘干，干燥时间为15h。
实施例4
采用均三溴苄为原料，油胺为缓释剂，分散在0.03L甘露醇溶液中，其中溴的含量为0.05mol/L，油胺的含量为0.05mol/L，甘露醇水溶液的浓度为0.15mol/L，随后以五水硝酸铋为原料加入至上述溶液中，其中铋的含量为0.005mol/L，在室温条件下持续搅拌，其中室温搅拌的时间为60分钟，将以上混合溶液倒入配有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加热反应，反应温度为120℃，反应时间为20h。将得到的产物离心，再用去离子水和无水乙醇分别洗数次，60℃下烘干，干燥时间为15h。
对比例
制备侧面仅暴露(110)晶面的溴氧铋光催化剂的步骤：取0.5mmol溴化钠和0.16mL油胺，加入到15mL 0.1mol/L甘露醇溶液中，随后，取0.05mmol五水硝酸铋加入到上述溶液中，室温搅拌的时间为30分钟，将以上溶液倒入配有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加热反应，反应温度为120℃，反应时间为10h。将得到的产物离心，再用去离子水和无水乙醇分别洗数次，60℃下烘干，干燥时间为20h。
对比例
制备侧面仅暴露(120)晶面的溴氧铋光催化剂的步骤：取0.05mmol五水硝酸铋，加入到10mL蒸馏水中，配成A溶液，在另一容器中，取0.5mmol溴化钾加入到5mL蒸馏水中配成B溶液，在A溶液处于搅拌的条件下，将B溶液滴加到A溶液中，室温搅拌的时间为30分钟，将以上溶液倒入配有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加热反应，反应温度为160℃，反应时间为24h。将得到的产物离心，再用去离子水和无水乙醇分别洗数次，60℃下烘干，干燥时间为20h。
图1为具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋和只暴露(110)或者(120)晶面的溴氧铋光催化材料的XRD图，其中BiOBr-(110)为只暴露(110)晶面的溴氧铋材料，BiOBr-(110)/(120)为具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋材料，BiOBr-(120)为只暴露(110)晶面的溴氧铋材料，图1中谱图对应于BiOBr JCPDS#85-0862。
图2为具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋材料的TEM、HRTEM以及AFM厚度图，具有同质晶面结的溴氧铋材料为纳米片，厚度为1.2纳米。
图3为只暴露(110)或者(120)晶面的溴氧铋材料的TEM和HRTEM图，均为纳米片，其中a-c为只暴露(110)晶面的溴氧铋材料，d-f为只暴露(120)晶面的溴氧铋材料。
图4为氙灯照射下具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋和只暴露(110)或者(120)晶面的溴氧铋材料光催化二氧化碳还原制一氧化碳的活性图，其中BiOBr-(110)为只暴露(110)晶面的溴氧铋材料，BiOBr-(110)/(120)为具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋材料，BiOBr-(120)为只暴露(110)晶面的溴氧铋材料，从图4中可以看出，相比于只暴露(110)或者(120)晶面的溴氧铋材料，具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋材料有着更高的光催化还原二氧化碳制一氧化碳的性能，光照10小时后一氧化碳的产率为680微摩尔每克。
图5为分别在380nm，400nm，420nm和450nm的单波长光照射下具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋光催化二氧化碳还原制一氧化碳的产率图以及对应的紫外可见漫反射光谱图，其中具有(110)/(120)同质晶面结的溴氧铋材料的光吸收带边为455nm，在400nm的单波长光照射下具有最高的一氧化碳产率，为35微摩尔每克每小时，表观量子效率为1.03％。