一种Bi2O2.33-CdS复合光催化剂及其制备工艺

摘要

本发明涉及新能源技术领域，具体公开了一种Bi2O2.33‑CdS复合光催化剂及其制备工艺。本发明提供的复合光催化剂由Bi2O2.33和CdS复合而成，其中，Bi2O2.33为纳米片芯核结构，CdS包裹于Bi2O2.33纳米片芯核结构形成壳层，Bi2O2.33纳米片芯核结构与CdS壳层形成直接Z型异质结，具有电子‑空穴分离效率高、氧化还原能力强、光催化性能优良的优点。本发明提供的制备工艺包括以下步骤：S1.利用电沉积法制备BiOI纳米片；S2.采用热处理法将BiOI纳米片转化为氧化铋；S3.采用水浴法在氧化铋外面包裹CdS壳层，工艺简单，易于操作，适于工业化推广。

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种Bi

背景技术

氢气作为一种可再生、无污染、能量密度高的清洁能源。在冶金、燃料电池、有机合成、石油化工等行业发挥了重要的作用。随着太阳能研究和利用的发展，人们已开始利用阳光分解水来制取氢气。在水中放入催化剂，在阳光照射下，催化剂便能激发光化学反应，把水分解成氢和氧。半导体材料是目前应用最为广泛的光催化剂。

半导体材料光催化反应发生需要满足一定的条件，其中光生电子/空穴的能量(由光催化剂导带/价带能级决定)要满足还原/氧化电势及反应过电位的要求。此外，理想的光催化材料还需要具备较宽的光吸收波段，较高的光生载流子分离效率，以及较强的光腐蚀稳定性。由常用的半导体光催化材料的能带位置可知，具有高还原和氧化活性的单光催化剂禁带宽度较宽。但在光吸收阶段，宽禁带半导体仅能利用紫外光(紫外光占太阳光比例约为4％)，太阳光吸收率低。因此，单光催化剂难以兼顾高光吸收率以及高还原和氧化活性，导致光催化活性较低，阻碍了光催化技术的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种Bi

第一方面，本发明提供一种Bi

一种Bi

优选的，CdS壳层连续均匀地包裹于所述Bi

第二方面，本申请提供一种Bi

一种Bi

S1.利用电沉积法制备BiOI纳米片；

S2.采用热处理法将BiOI纳米片转化为氧化铋；

S3.采用水浴法在氧化铋外面包裹CdS壳层，制得Bi

优选的，步骤S1具体包括以下步骤：

(1)取去离子水并除氧，得到处理后的去离子水；

(2)取对苯醌加入无水乙醇，搅拌直至全部溶解得到溶液A；

(3)取碘化钾加入步骤(1)处理后的去离子水，加入硝酸铋，并加入硝酸和乳酸，继续搅拌至硝酸铋全部溶解，得到溶液B；

(4)将溶液A加入到溶液B中得到溶液C；

(5)利用三电极系统电沉积BiOI纳米片，其中电解液采用溶液C。

优选的，电沉积过程包括两步电沉积，第一步电沉积的电位为- 0.35V至-0.4V，时间为15-30s，第二步电沉积的电位为-0.1V至- 0.15V，时间为300-320s。

优选的，步骤S2具体包括以下步骤：将步骤S1制得的BiOI纳米片加热到580-620℃，保温时间为20min-30min。

优选的，步骤S2制备得到蠕虫状纳米氧化铋颗粒。

优选的，步骤S3具体包括如下步骤：

配置氯化铵水溶液，浓度为0.06-0.10mol/L，加入氯化镉得到溶液D，使得溶液D中氯化镉浓度为0.01mol/L-0.08mol/L，搅拌并加热到70℃-80℃，将pH值调至8-12，加入步骤S2转化得到的氧化铋，加入硫脲，使硫脲浓度为0.04-0.08mol/L，反应10-30min后取出试样，清洗烘干。

优选的，所述氯化镉浓度为0.01mol/L-0.03mol/L。

优选的，步骤S3氧化铋在水浴过程中重结晶，所述蠕虫状纳米氧化铋颗粒恢复成纳米片状结构。

综上所述，本发明的有益效果为：

1.本发明提供的Bi

2.本发明的Bi

3.本发明的Bi

4.本发明的Bi

5.本发明所提供的制备工艺，简单易于操作，适合于工业化推广应用。

附图说明

图1为制备例1的BiOI纳米片扫描电镜图；

图2为制备例1制备的试样扫描电镜图；

图3为制备例2制备的试样扫描电镜图；

图4为制备例3制备的试样扫描电镜图；

图5为实施例1制备的试样XRD图谱；

图6为实施例1制备的试样扫描电镜图；

图7为实施例1制备的试样透射电镜图和高分辨透射电镜图；

图8(a)为Bi

图9为Bi

图10为实施例2制备的试样扫描电镜图。

具体实施方式

Z型异质结光催化剂，Z型异质结是模拟植物光合作用的结构和功能而构建的，Z型异质结通常包括一种导带还原能力较强的半导体(光系统I，photosystem I，PSI)与一种价带氧化能力较强的半导体(光系统II，photosystem II，PSII)，两者依靠电子传递媒介相互串联。两种半导体同时受到太阳光激发生成电子和空穴(解决光吸收效率问题)，PSII的光生电子通过电子传递媒介与PSI的空穴复合，剩下催化活性较强的PSI电子和PSII空穴分别引发光还原和氧化反应。Z型异质结通过牺牲一半光生载流子的方式，保留了光生电子和空穴的高还原和氧化能力，很好地契合了天然光合作用机制。且Z型异质结能够满足光催化热力学要求的能带结构和有利于电荷传递的动力学界面，解决窄禁带半导体电荷分离效率低、能带电势不匹配的缺点。

构筑Z型异质结的关键因素有两个，一是选择两种合适的半导体满足热力学要求的能带结构，另一是解决电子传递的动力学竞争的问题。但一般情况下，两种半导体接触后形成II型异质结，电子传递的方式与Z型异质结恰恰相反。因此，通过一个电子传递媒介调控电子传递路径构筑Z型异质结成为光催化领域主流的构筑途径。目前常用的电子传递媒介有两种，一种是利用氧化还原离子对(譬如：IO

本发明公开了一种Bi

本发明的水浴法生长过程中会出现重结晶现象，蠕虫状氧化铋恢复成纳米片状结构。此外，为了使CdS壳层均匀包裹氧化铋水浴过程中，调整了Cd离子浓度和溶液的pH值，使得镉离子的释放速度和CdS的生长速度保持良好的平衡，CdS壳层包裹均匀且致密。获得的Bi

制备例1：

(1)取25ml去离子水，磁力搅拌，并在搅拌过程中通入惰性气体(氩气)以去除去离子水中的氧气，通气时间为30min。

(2)取0.248g的对苯醌放入棕色容器中，加入10ml的无水乙醇，磁力搅拌直至对苯醌全部溶解得到溶液A。

(3)取1.66g的碘化钾加入到步骤(1)处理后的去离子水中，随后加入0.485g的硝酸铋，并加入31μl的硝酸(质量分数为68％)和 35μl的乳酸(质量分数为60％)，继续搅拌至硝酸铋全部溶解得到溶液B。

(4)利用吸管将步骤(2)溶解好的溶液A加入到步骤(3)制备得到的溶液B中得到溶液C。

(5)利用三电极系统电沉积BiOI纳米片，其中电解液是步骤(4) 获得的溶液C，Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，FTO(导电玻璃，面积为1.5cm

(6)将步骤(5)制得的试样用无水乙醇和水(1:1，V/V)的混合溶液冲洗，冲洗后放入真空烘箱70℃干燥12h获得负载在FTO上的 BiOI(碘氧化铋)纳米片，形貌如图1所示。从图1(c)中可以看出 BiOI均匀地负载在FTO上，从图1(a)、1(b)可以看出BiOI为纳米片结构。

(7)将步骤(6)制得的负载在FTO上的BiOI纳米片，以10℃/min 的升温速率加热至600℃，并保温20min后炉冷至室温，试样形貌如图2所示。从图2可以看出BiOI纳米片完全转化为蠕虫状纳米氧化铋颗粒，I(碘)在热处理过程中升华，且蠕虫状纳米氧化铋颗粒之间相互分散，仍然保持良好的纳米结构。

比较例1：

与制备例1的区别在于，步骤(7)中，负载在FTO上的BiOI纳米片，加热至550℃保温。制备得到的试样形貌如图3所示。从图3 可以看出BiOI纳米片并未完全转化为蠕虫状纳米氧化铋颗粒，同时存在BiOI纳米片和蠕虫状纳米氧化铋颗粒，蠕虫状纳米氧化铋颗粒之间相互分散。

比较例2：

与制备例1的区别在于，步骤(7)中，负载在FTO上的BiOI纳米片，加热至650℃保温。试样形貌如图4所示。从图4可以看出蠕虫状纳米氧化铋颗粒之间相互融合，纳米结构坍塌。

实施例1：

(1)配置0.08mol/L的NH

(2)在步骤(1)配置的NH

(3)溶液D磁力搅拌，并加热到70℃；

(4)利用氨水将步骤(9)的溶液pH值调至10；

(5)在步骤(4)的溶液中放入制备例1制备得到的负载有蠕虫状纳米氧化铋颗粒的FTO，5min后加入硫脲(NH

(6)用去离子水冲洗试样，并置于真空烘箱70℃干燥12h获得试样。

最终制备得到的试样XRD图谱如图5所示，对比XRD的PDF 卡库发现氧化铋的XRD数据与JCPDS(No.27-0051)完全符合，证实 600℃热处理后为氧化铋为非化学比例的Bi

最终制备得到的Bi

为了证实复合物为直接Z型异质结结构，利用紫外光电子能谱 (UPS)技术检测Bi

光催化性能测试流程：将4片负载Bi

实施例2：

与实施例1的区别在于，步骤(2)中氯化镉浓度为0.08mol/L。试样形貌如图10所示。从图10可以看出，Bi