一种内建电场增强的卤氧铋核壳复合结构光催化材料及制备方法

摘要

本发明公开了属于半导体纳米光电材料生长技术领域的一种内建电场增强的卤氧铋核壳复合结构光催化材料及制备方法。所述卤氧铋核壳复合结构最内层为p型半导体材料，最外层为n型半导体材料；最内层和最外层间设置i型半导体材料作为过渡层。本发明利用能带可调的p型卤氧化铋半导体材料，与厚度可控的氧化铝或氧化镁等氧化物绝缘半导体材料，以及n型的氧化锌或氧化钛等宽带半导体材料构成核壳复合结构，并引入并调控内建电场强度，有效促进光生载流子分离。构建具有p‑i‑n结构的，即内建电场增强的光催化材料。

说明书

技术领域

本发明属于半导体纳米光电材料生长技术领域，尤其涉及一种内建电场增强的卤氧铋核壳复合结构光催化材料及制备方法。

背景技术

近年来随着环境污染日益严重，设计并制备高效率新型光催化材料一直是各国科研人员的研究重点。提高半导体材料的吸收效率，促进光生载流子的分离和传递是新型光催化材料的核心要求。根据此方面要求，通常采用对半导体材料的掺杂改性、构建复合结构等方式改进光催化性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种内建电场增强的卤氧铋核壳复合结构光催化材料，所述卤氧铋核壳复合结构最内层为p型半导体材料，最外层为n型半导体材料；最内层和最外层间设置厚度可控的i型半导体材料作为过渡层；

所述p型半导体材料为卤氧铋；i型半导体材料包括氧化铝、氧化镁或氧化铪；n型半导体材料包括氧化锌或氧化钛；

一种内建电场增强的卤氧铋核壳复合结构光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

1)p型半导体材料制备方法：以硝酸铋作为Bi源，氯化钾、氯化钠作为Cl源；溴化钾、溴化钠作为Br源，碘化钾、碘化钠作为I源；氟化铵作为F源；

通过高压水热法合成方法合成卤氧化铋纳米结构；具体步骤为：将原料分散在水中；得到混合液体转移到反应釜中，于马弗炉中加热，控制合成温度100-170℃，反应时间12-18小时；反应结束后，离心干燥处理样品；

Bi元素与卤族元素的摩尔比例相等；

2)i型半导体材料制备方法：通过原子层沉积方法在步骤1)卤氧化铋纳米结构上制备氧化物绝缘半导体材料，包括氧化铝，氧化镁，氧化铪；反应温度180℃～250℃；反应周期50～100周期；

氧化铝生长条件：反应温度180℃～250℃；Al源的通入时间20ms-40ms，等待时间8-20s；O通入时间20ms-40ms，等待时间8-20s；Al源和O源交替进入反应室；

氧化镁生长条件：反应温度200℃～250℃；Mg源的通入时间1s-3s，等待时间10-20s；O通入时间20ms-40ms，等待时间8-20s；Mg源和O源交替进入反应室；

氧化铪生长条件：反应温度180℃～220℃；Hf源的通入时间20ms-100ms，等待时间8-20s；O通入时间20ms-40ms，等待时间8-20s；Hf源和O源交替进入反应室；

3)n型半导体材料制备方法：通过原子层沉积在步骤2)i型半导体材料上制备n型氧化物半导体，氧化锌，氧化钛；反应温度170℃～250℃；反应周期100～500周期；

氧化锌生长条件：反应温度150℃～250℃；Zn源的通入时间20ms-40ms，等待时间8-20s；O通入时间20ms-40ms，等待时间8-20s；Zn源和O源交替进入反应室；

氧化钛生长条件：反应温度170℃～220℃；Ti源的通入时间40ms-1s，等待时间8-20s；O通入时间20ms-40ms，等待时间8-20s；Ti源和O源交替进入反应室。

本发明的有益效果在于：

1.卤氧化铋与氧化锌或氧化钛等宽带半导体材料组合，可以实现紫外～可见光范围的光吸收。

2.作为本证p型和n型半导体材料，卤氧化铋、氧化锌或氧化钛具有很强的载流子分离效率。

3.通过调控氧化铝或氧化镁等i层厚度，可以改变(增加或减少)耗尽区厚度，进一步增强材料吸收特性，并有效抑制光生电子空穴复合，提高分离效率。

4.化学合成与原子层沉积的制备手段相结合，具有样品产量大、成本低、可控性好和操作简单等优势。

5.本发明利用能带可调的p型卤氧化铋半导体材料，与氧化铝或氧化镁等氧化物绝缘半导体材料，以及n型的氧化锌或氧化钛等宽带半导体材料构成核壳复合结构，并引入内建电场，有效促进光生载流子分离，进而构建具有p-i-n结构的内建电场增强的光催化材料。

附图说明

图1为实施例1的BiOCl/MgO/ZnO核壳结构样品的透射电子显微镜照片。

图2为实施例1的BiOCl/MgO/ZnO核壳结构样品的能谱图片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

实施例1

一种内建电场增强的BiOCl/MgO/ZnO核壳复合结构光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

1)p型材料制备方法：以硝酸铋作为Bi源，氯化钠作为Cl源；水作为溶剂；Bi源与氯化钠摩尔比例相等，均为1mmol；合成温度150℃。反应时间12小时。反应结束后，离心干燥处理样品；

2)i型材料制备方法：通过原子层沉积方法制备氧化镁，反应温度200℃；Mg源的通入时间1s，等待时间10s；O通入时间20ms，等待时间8s；Mg源和O源交替进入反应室；沉积周期50周期；

3)n型材料制备方法：通过原子层沉积制备n型氧化锌，反应温度150℃；Zn源的通入时间20ms，等待时间8s；O通入时间20ms，等待时间8s；Zn源和O源交替进入反应室；沉积周期100周期。

得到的BiOCl/MgO/ZnO核壳结构样品的透射电子显微镜照片示于图1；其中图2的能谱图片中所展示的元素种类和比例与BiOCl/MgO/ZnO核壳结构样品材料保持一致。

实施例2

本发明所述的一种内建电场增强的BiOCl/MgO/TiO

1)p型材料制备方法：以硝酸铋作为Bi源，氯化钠作为Cl源；水作为溶剂；Bi源与氯化钠摩尔比例相等，均为2mmol；合成温度100℃。反应时间12小时。反应结束后，离心干燥处理样品；

2)i型材料制备方法：通过原子层沉积方法制备氧化镁，反应温度250℃；Mg源的通入时间3s，等待时间20s；O通入时间20ms，等待时间8；Mg源和O源交替进入反应室；沉积周期50周期；

3)n型材料制备方法：通过原子层沉积制备n型氧化钛，反应温度250℃；Ti源的通入时间40ms，等待时间20s；O通入时间40ms，等待时间20s；Ti源和O源交替进入反应室；沉积周期100周期。

实施例3

本发明所述的一种内建电场增强的BiOI/Al

1)p型材料制备方法：以硝酸铋作为Bi源，碘化钠作为I源；水作为溶剂；Bi源与碘化钠摩尔比例相等，均为1mmol；合成温度100℃。反应时间18小时。反应结束后，离心干燥处理样品；

2)i型材料制备方法：通过原子层沉积方法制备氧化铝，反应温度180℃；Al源的通入时间20ms，等待时间10s；O通入时间20ms，等待时间8s；Al源和O源交替进入反应室；沉积周期50周期；

3)n型材料制备方法：通过原子层沉积制备n型氧化锌，反应温度170℃；Zn源的通入时间20ms，等待时间8s；O通入时间20ms，等待时间8s；Zn源和O源交替进入反应室；沉积周期300周期。

实施例4

本发明所述的一种内建电场增强的BiOBr/HfO/TiO

1)p型材料制备方法：以硝酸铋作为Bi源，溴化钾作为Br源；水作为溶剂；Bi源与溴化钾摩尔比例相等，均为3mmol；合成温度170℃。反应时间18小时。反应结束后，离心干燥处理样品；

2)i型材料制备方法：通过原子层沉积方法制备氧化铪，反应温度220℃；Hf源的通入时间80ms，等待时间20s；O通入时间40ms，等待时间10s；Hf源和O源交替进入反应室；沉积周期100周期；

3)n型材料制备方法：通过原子层沉积制备n型氧化钛，反应温度250℃；Ti源的通入时间40ms，等待时间20s；O通入时间40ms，等待时间20s；Ti源和O源交替进入反应室；沉积周期500周期。

实施例5

本发明所述的一种内建电场增强的BiOF/MgO/ZnO核壳复合结构光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)p型材料制备方法：以硝酸铋作为Bi源，氟化铵作为F源；水作为溶剂；Bi源与氟化铵摩尔比例相等，均为1mmol；合成温度170℃。反应时间12小时。反应结束后，离心干燥处理样品；

(2)i型材料制备方法：通过原子层沉积方法制备氧化镁，反应温度200℃；Mg源的通入时间1s，等待时间10s；O通入时间20ms，等待时间8s；Mg源和O源交替进入反应室；沉积周期100周期；

(3)n型材料制备方法：通过原子层沉积制备n型氧化锌，反应温度150℃；Zn源的通入时间20ms，等待时间8s；O通入时间20ms，等待时间8s；Zn源和O源交替进入反应室；沉积周期500周期。